Процессор

История создания процессоров

Процессоры для персональных компьютеров получили распространение с 70-х годов XX века. В данном направлении работало множество компаний. Каждый представитель индустрии стремился производить оборудование на основе передовых технологий. Лидерами в этом сегменте стали Intel и AMD. Первое упоминание процессоров отмечено в 50-х годах ХХ столетия. Тогда устройства функционировали на механическом реле.

В будущем были разработаны модели, реализованные на электронных лампах и транзисторах. Компьютеры, для которых предназначались такие процессоры, представляли собой сложные крупногабаритные установки и отличались высокой стоимостью. В конце 60-х годов ХХ века компания Busicom работала над созданием нового настольного калькулятора. В процессе реализации проекта было использовано 12 микросхем от Intel. Они были объединены в одну систему. Таким образом, был разработан микропроцессор Intel 4004, скорость функционирования которого составляла 60 тысяч операций в секунду.

После 4004 компания Intel представила модель 8008. Ее отличие заключалось в частоте работы процессора, которая составляла от 600 до 800 килогерц. Устройство включало свыше 3 тысяч транзисторов и подходило для эксплуатации на разных вычислительных машинах. Вскоре производитель разработал процессор 8080 с высокой производительностью. Через несколько лет компанией MITS был создан компьютер Altair–8800, функционирующий на процессоре 8800 от Intel.

В середине 70-х годов ХХ столетия компания Motorola разработала собственный процессор MC6800 с высокой производительностью, который работал с 16-битными числами. Стоимость оборудования была соизмерима с ценой Intel 8080. Однако данная модель не завоевала популярность на рынке. В 1975 году бывшие сотрудники Motorola основали компанию MOS Technology. Главным продуктом предприятия стал процессор MOS Technology 6501. Позднее инженеры компании разработали чип 6502, который характеризовался высоким спросом.

Бывшим сотрудникам компании Intel также удалось создать компанию и представить собственную разработку в виде процессора Zilog Z80, который напоминал модель Intel 8080. За счет доступной стоимости и высокой производительности оборудование быстро завоевало популярность среди потребителей. В России данное устройство, как правило, использовалось для оснащения военной техники.

В конце 70-х годов Intel представили новую разработку в виде процессора 8086. Это позволило компании занять лидирующие позиции в области производства чипов. Спустя некоторое время, была презентована более успешная модель Intel 8088, которая включала более 30 тысяч резисторов. Одним из самых мощных в то время стал процессор MC68000 от компании Motorola. Одновременно Zilog выпустили Z8000, который не был востребован среди пользователей.

Эра новых процессоров началась с разработки компанией Intel процессора P5, известный, как Pentium. Менее мощные модели Celeron на ядре процессора Pentium второго поколения предприятие начало выпускать в 1998 году. Конкурентом Intel является компания AMD, которая представила первую собственную модель в 1974 году под названием AMD 9080. После разработки уникальных микросхем для цифрового оборудования AMD презентовали процессор AM 2900. Тогда популярность обрели x86 процессоры. Первая подобная разработка компании называлась AMD K5. После приобретения фирмы NexGen компания запустила в производство чип К6, который составил достойную конкуренцию Intel Pentium 2.

Основные функции, для чего нужен

Процессор представляет собой центральный вычислительный элемент, которым оснащен любой компьютер. Устройство управляет всеми его компонентами. Современные микропроцессоры выпускают в виде прямоугольной пластинки из кристаллического кремния. Маленькая площадь вмещает схемы или транзисторы. Пластина защищена керамическим или пластмассовым корпусом, который соединен с ней с золотыми проводками. Особенности конструкции обеспечивают легкое и надежное подключение процессора к системной плате компьютера. Основные функции процессора:

• обработка информации, согласно заданной программе, с помощью арифметических и логических операций;
• программное управление функционированием устройств компьютера.

Устройство управления или УУ является частью процессора, отвечающей за управление его устройствами.

Характеристики, какие являются главными при выборе

Производители процессоров классифицируют выпускаемые компоненты, согласно сериям. Таким образом, существенно упрощается выбор устройств для решения разных задач. Процессор обладает рядом характеристик, наиболее важными из которых являются:

• число ядер;
• тактовая частота;
• архитектура;
• тепловыделение.

При выборе процессора следует обратить внимание на комплекс факторов, определяющих его производительность. Например, количество вычислительных ядер определяет производительность процессора. Многоядерные чипы содержат на одном кристалле или в одном корпусе несколько вычислительных ядер. Устройства для домашних ПК, как правило, обладают 8 ядрами, а процессоры для серверов — 12, как Opteron 6100. Ядра могут отличаться по эффективности, но с увеличением их количества возрастает производительность процессора. Количество потоков может не соответствовать числу ядер процессора. Чем больше потоков, тем эффективнее работа оборудования. За счет технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и по многим критериям превосходит 6-тиядерные аналоги устройств.

Кеш представляет собой достаточно быструю внутреннюю память процессора, необходимую для реализации функции буфера временного хранения информации, которая обрабатывается в определенный момент времени.

Чем больше кэш, тем лучше работает центральный процессор:

1. Кэш-память 1-го уровня отличается высокой скоростью, расположена в ядре ЦП, что объясняет компактные размеры от 8 до 128 Кб.
2. Кэш-память 2-го уровня находится в ЦП, но не в ядре. Она превосходит по скорости оперативную память, но уступает кэш-памяти 1-го уровня. Размер составляет от 128 Кбайт до нескольких Мбайт.
3. Кэш-память 3-го уровня быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти 2-го уровня.

Частота процессора определяет его производительность. Тактовая частота является частотой работы центрального процессора. В течение 1 такта реализуется несколько операций. Чем выше частота, тем выше быстродействие компьютера. Тактовая частота современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц): 1 ГГц соответствует 1 миллиарду тактов в секунду.

Скорость шины процессора FSB, HyperTransport или QPI, с помощью которой происходит взаимодействие чипа с материнской платой. Данный показатель измеряют в мегагерцах. Чем больше скорость шины, тем лучше работает компьютер. Разрядность шин кратна 8. Данная характеристика показывает, какой объем данных в байтах можно передать в течение 1 такта. Большое значение имеет пропускная способность шины, которая равна произведению частоты системной шины и количества бит, передаваемых за 1 такт. Например, если при частоте системной шины в 100 Мгц за 1 такт передается 2 бита, то пропускная способность составит 200 Мбит/сек.

Большее количество транзисторов, меньшее энергопотребление и нагревание обеспечивает более тонкий техпроцесс. Данный показатель определяет TDP, то есть потребление и выделение процессором тепла. Величина Termal Design Point измеряется в Ваттах (Вт), зависит от числа ядер, техпроцесса изготовления и частоты, с которой работает процессор. Так называемые, «холодные» процессоры характеризуются TDP до 100 Вт. Путем разгона можно увеличить их производительность от 15% до 25%. При высоком TDP требуется установить эффективную систему охлаждения.

Кроме вычислительных ядер, процессоры нового поколения оснащены графическими ядрами. Они выполняют роль видеокарты. С их помощью можно играть в компьютерные игры, просматривать видео, работать с текстом и решать другие задачи. Выбор в пользу процессора со встроенным графическим ядром поможет сэкономить на покупке отдельного графического адаптера.

Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти определяет ее совместимость с процессором. Устройства поддерживают работу конкретного типа оперативной памяти:

• DDR;
• DDR2;
• DDR3.

Сокет или разъем вставляется в процессор. Данные устройства не являются универсальными. Кроме того, материнская плата обладает только одним сокетом для процессора, который должен соответствовать его типу. Гнездовой или щелевой разъем, необходим, чтобы интегрировать чип в схему материнской платы. Каждый разъем допускает подключение конкретного типа процессоров:

1. PGA (Pin Grid Array) — корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты.
2. BGA (Ball Grid Array) — шарики припоя.
3. LGA (Land Grid Array) — контактные площадки.

Из чего состоит процессор, основные функциональные блоки

Выполнение функций обеспечено определенным комплексом аппаратных средств. Функциональные блоки процессора:

1. Блок арифметико-логических операций обрабатывает поступающую информацию. Список таких операций зависит от типа процессора. Как правило, это арифметическое сложение и вычитание, логические операции ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ; операции инкремента и декремента; логические и арифметические сдвиги вправо и влево. Блок арифметико-логических операций основан на двоичном сумматоре, включающем схемы ускоренного переноса, регистры для временного хранения операндов и регистры-сдвигатели, комбинационные схемы, формирующие логические условия, схемы десятичной коррекции и другие функциональные компоненты.
2. Блок, обрабатывающий команды, принимает и декодирует команды, формирует сигналы управления узлами обработки данных.
3. Блок формирования адресов обеспечивает адресацию к внешней памяти и внешним устройствам. Главными компонентами в этом случае являются программный счетчик, указатель стека, инкрементор-декрементор, адресный регистр.
4. Блок регистров, реализующих функции сверхоперативной внутренней памяти, временного хранения операндов и другие опции.
5. Блок синхронизации и управления координируют функционирование всех узлов, которые содержит в себе процессор.
6. Внутренняя шина обеспечивает связь отдельных блоков и узлов процессора. Блок состоит из шин для передачи данных, адресов и управляющих сигналов.

Состав восьмиразрядного процессора

Основные узлы 8-разрядного процессора можно рассмотреть на примере модели 8080 (КР580ВМ80А). Структурная схема изображена на рисунке.

С помощью арифметико-логического устройства АЛУ над восьмиразрядными операндами выполняют такие операции, как:

• арифметическое сложение пары операндов при передаче переноса в старший разряд (и без него) и вычитание с передачей заема в младший разряд (и без него);
• логическое сложение, умножение, которые исключают ИЛИ и сравнение;
• циклические сдвиги четырех видов;
• арифметические операции над десятичными числами.

В процессе суммирования десятичных чисел может понадобиться коррекция результата, за которую отвечает блок десятичной коррекции. При сложении каждый из разрядов десятичного числа (цифра) трансформируется в четырехразрядный двоичный код (полубайт, тетрада), к примеру, код 8421. Полубайт суммируются, согласно правилам двоичной арифметики.

АЛУ связано с пятиразрядным регистром признаков или флагов. В нем записывается итог решения определенных арифметических и логических операций. Триггеры, содержащиеся в регистре:

1. Триггер переноса вырабатывает сигнал С = 1 в том случае, когда в процессе сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда.
2. Триггер дополнительного переноса вырабатывает сигнал V = 1, если при выполнении операции с двоично–десятичными кодами появляется единица из третьего разряда (старшего разряда младшего полубайта).
3. Триггер нуля вырабатывает сигнал Z = 1 при нулевом итоге операций.
4. Триггер знака вырабатывает сигнал S = 1 в том случае, когда величина старшего разряда операнда (в дополнительном коде) соответствует единице, то есть итог операции является отрицательным числом.
5. Триггер четности вырабатывает сигнал Р = 1, если результат операции состоит из четного числа единиц.

Доступ к регистрам, включая счетчик команд и указатель стека, выполняется через мультиплексоры с помощью селектора регистров. Регистры общего назначения РОН используются, как аккумуляторы, в которых хранится обрабатываемая информация, либо указатели с адресами операндов. Регистры В, С, D, Е, Н, L могут играть роль отдельных восьмиразрядных регистров или шестнадцатиразрядных регистровых пар ВС, DE, HL. Регистры W и Z не относятся к программно-доступным и необходимы, чтобы выполнять команды внутри процессора. Они служат местом хранения для второго и третьего байта команд. Микропроцессор и внешние устройства обмениваются данными с помощью двунаправленного буферного регистра. Информационный обмен между памятью и внешними устройствами осуществляется с помощью шестнадцатиразрядного регистра адреса.

Указатель команд или программный счетчик Program Counter — PC указывает адрес нахождения очередного байта команды в памяти. Байты команд, как правило, отбираются по нарастанию их адресов. В связи с этим, выбор каждого очередного байта сопровождается увеличением содержимого программного счетчика на единицу схемой инкремента–декремента.

Указатель стека StackPointer —SP представляет собой шестнадцатиразрядный регистр, задачей которого является оперативная адресация специального вида памяти. Стековая память необходима для обслуживания прерываний и отличается тем, что из нее в первую очередь выбирается информация, которая поступила последней. В стеке фиксируется адрес возврата к прерванной программе на время обработки процессором подпрограммы, состава аккумулятора, регистра признаков.

Первый байт реализуемой команды сохраняется в регистре команд. В дешифраторе команд образуются сигналы, которые способствуют запуску в устройстве управления микропрограммы, что позволяет выполнить необходимую операцию. Микропрограммы операций, определяемых набором команд микропроцессора, «зашиты» в управляющую память.

На входы устройства управления поступают:

• пара последовательности тактовых импульсов (Ф1, Ф2) с периодом Т, которые являются непрерывными;
• сигнал готовности (READY) внешних устройств и памяти к обмену данными с микропроцессором;
• сигнал запроса от внешних устройств на прерывание (INT) осуществления основной программы и переход на выполнение подпрограмм обслуживания прерывания;
• сигнал запроса от внешних устройств на захват шин (HOLD), обычно, для информационного обмена с помощью канала прямого доступа к памяти;
• сигнал сброса (RESET), который обеспечивает начальную установку микропроцессора.

С выхода устройства управления считываются сигналы, что позволяет управлять внутренними компонентами процессора и внешними устройствами. Во втором случае вырабатываются следующие сигналы:

• сигнал синхронизации (SYNC) указывает на начало каждого машинного цикла, то есть временного периода, в течение которого происходит одно обращение процессора к внешним устройствам или памяти;
• сигнал приема (DBIN) указывает, насколько процессор готов принимать информацию;
• сигнал ожидания (WAIT) указывает на то, что процессор пребывает в состоянии ожидания;
• сигнал подтверждения захвата (HLDA) подтверждает высоомное состояние шин, что позволяет внешним устройствам обращаться к памяти напрямую, без участия процессора;
• сигнал разрешения прерывания(INTE) указывает на состояние логической единицы, в котором пребывает триггер разрешения прерывания в блоке управления, что позволяет принимать сигналы запроса;
• сигнал Выдача (WR= 0) указывает на выдачу информации процессором на шину данных, чтобы сохранить ее в памяти или передать во внешние устройства.

Узлы процессора обмениваются информацией с помощью восьмиразрядной внутренней шины данных. Информационный обмен с внешней восьмиразрядной шиной данных осуществляется с помощью буферного регистра. Адресация к памяти и внешним устройствам реализуется по средствам шестнадцатиразрядной шины адреса и регистра адреса.

Состав шестнадцатиразрядного микропроцессора

В качестве примера 16-разрядного процессора можно рассмотреть модель 8086. Структурная схема изображена на рисунке.

Состав микропроцессора:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое включает стандартный комплекс операций;
• регистр флагов или регистр слова состояния, необходимый для отражения состояния процессора в результате реализации определенной команды, к примеру, для фиксации нулевого итога операции АЛУ используется флаг Z;
• восемь шестнадцатиразрядных регистров общего назначения (РОН), задачей которых является хранение адресов и информации: АХ (АН, AL), DX ( DН, DL), СХ (СН, CL), ВХ (ВН, BL), BP, SP DI, SI;
• блок формирования адреса и управления шиной, создает адреса с помощью суммирования содержимого конкретного из индексных регистров (DI, SI) с адресом из памяти, выполняет временное мультиплексирование шины данных/адреса (ШД/А), автоматически заполняет буфер очереди команд следующими командами;
• блок формирования адреса и управления шиной включает буферный регистр, сумматор и логику управления шиной;
• регистр команд, необходим, чтобы принимать команды из внешней памяти;
• устройство управления обеспечивает синхронизацию процессора, управление машинными циклами и захватом шины, обслуживание запросов на прерывание от внешних устройств;
• буфер очереди команд позволяет записать максимально шесть байт принимаемой команды;
• четыре шестнадцатиразрядных сегментных регистра (CS, SS, DS, ES) и программный счетчик (Instruction Pointer — IP), которые участвуют в формировании адреса.

Передача управляющих сигналов осуществляется с помощью шины управления. Микропроцессор при этом может функционировать в двух режимах:

• минимальная конфигурация;
• максимальная конфигурация.

Внутреннее устройство процессора

Процессор обладает рядом внутренних ресурсов. Основными из них являются:

• типы данных, распознаваемые и обрабатываемые процессором;
• программно-доступные регистры, в которых хранятся информация и адреса при реализации программы;
• режимы адресации с обозначением Addressing Mode, или способы адресации, которые реализует процессор.

Способ адресации представляет собой метки определения или вычисления адреса, который называют эффективным Effective Address — ЕА, обеспечивающего доступ к операндам или передачу управления. Внутренние ресурсы встроены в чип и записаны в его систему команд. В связи с этим, к задачам внутренних ресурсов относится не только программирование прикладных операций, но и непосредственная реализация программы.

Архитектура процессоров предоставляет максимально часто запрашиваемые типы информации, регистры и режимы адресации. Для любого процессора характерна поддержка несколько типов данных, режимов адресации и содержание конкретного комплекса внутренних регистров. Благодаря разнообразию, доступности и эффективной эксплуатации ресурсов, повышается производительность системы. При недостатке или отсутствии ресурсов допустимо программное моделирование, что сопровождается снижением производительности.

Разработка системной программы основана на жестко связанных с архитектурой процессора системных ресурсах таких, как:

• адреса памяти и ввода/вывода;
• запросы прерываний;
• каналы прямого доступа к памяти.

Внутренние компоненты процессора:

1. Верхняя крышка из металла защищает чувствительные элементы от механического воздействия, а также отводит тепло.
2. Кристалл или камень представляет собой наиболее важную и дорогую деталь микропроцессора. По мере повышения сложности и эффективности «камня», увеличивается производительность компьютера.
3. Специальная подложка с контактами на обратной стороне необходима для завершения конструкции процессора. С ее помощью центральный «камень» взаимодействует с внешними устройствами.

Принцип сборки конструкции исключает прямое внешнее влияние на сам кристалл. Строение скрепляют с помощью клея-герметика с особыми свойствами. «Камень» процессора включает следующие функциональные компоненты:

• ядра процессора;
• кэш память;
• контроллер памяти;
• видеопроцессор.

Перспективы развития процессоров, что их ожидает

В будущем технологический прогресс достигнет физических пределов производство, что должно послужить триггером для изменений материальной части процессоров. В данной области выделяют несколько перспективных направлений:

1. Оптические компьютеры, обрабатывают вместо электрических сигналов потоки света или фотоны.
2. Квантовые компьютеры, в основе функционирования которых квантовые эффекты. Современные инженеры уже работают над созданием функционирующих моделей квантовых процессоров.
3. Молекулярные компьютеры, представляют собой вычислительные системы, которые используют при работе вычислительные возможности молекул, как правило, органического происхождения. Молекулярные компьютеры основаны на идее вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

С развитием технологий и применением инновационных материалов удается сделать процессоры более быстрыми и экономичными. Например, компания Intel в перспективе может отказаться от использования свинца в конструкции микропроцессора. Производители уделяют повышенное внимание внутренней архитектуре и стараются уменьшить габариты транзисторов. Это способствует повышению производительности устройств и удешевлении их производства. Для предотвращения роста токов утечки и повышения энергопотребления требуется использовать новый диэлектрик для более компактных транзисторов.

Увеличение объема кэша должно положительно влиять на параметр скорости работы программного обеспечения. Теоретически, данное нововведение приведет к ускорению работы приложений, основанных на сканировании трактов данных. Благодаря новым техпроцессам, будущие процессоры будут обладать низким тепловыделением и улучшенным температурным режимом работы.

Есть предположение, что усовершенствованные чипы должны стать гетероструктурными. При условии полной гетероструктурности внутреннее строение процессора перемешано, то есть компоненты всех сопроцессоров встроены во внутреннее пространство вычислительных ядер так, что отделить их на плате не представляется возможным. Возможно, потребуются пара особых узлов, которые будут располагаться внутри процессора, и специальная сетка сверху для объединения всех элементов на верхнем уровне.

Важным шагом в будущем производстве процессоров является переход от дискретной логики к непрерывной. Также усовершенствованные модификации чипов, скорее всего, будут обладать 3D-структурой. При этом транзисторы располагаются на конструктивной схеме не планарно, а в объеме, то есть несколькими слоями, связанными друг с другом в вертикальном направлении. Таким образом, структура будущих процессоров будет представлять собой мультиполигональный объект, в котором каждый компонент граничит с десятком других элементов. Возможно, по этой причине сигналы начнут передаваться в нескольких направлениях одновременно.