Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров
Речь, конечно же, пойдет о Intel и AMD. Основным отличием в принципах работы данных компаний является подход к производству новых компьютерных микропроцессоров.В то время, как Intel попеременно внедряет новые технологии наряду с небольшими изменениями, AMD делает крупные шаги в производстве с определенной периодичностью. Выше на фото представлены модели упомянутых компаний с отличительным внешним видом.
Лидерские позиции, в подавляющем большинстве случаев, удерживает все-таки Intel. «Камни» от AMD, хотя и уступают процессорам от Intel по производительности, нередко выигрывают у них в плане ценовой доступности. О том, какую компанию лучше выбрать можете почитать в этой статье.
Математический сопроцессор
Продолжая рассматривать то, что входит в состав процессора компьютера, нельзя не сказать несколько слов об этом устройстве. Он направлен на расширение возможностей ЦП и обеспечение его функциональности с помощью так называемого модуля с плавающей запятой для процессоров, не имеющих встроенного модуля.
Математический сопроцессор не является одним из обязательных элементов ПК и от него можно отказаться. Раньше многие производители поступали так по экономическим причинам.
Однако при решении задач, требующих выполнения большого количества математических расчетов (для научных или инженерных расчетов), необходимо было решить вопрос о повышении производительности ПК.
Если ранее модуль математического сопроцессора устанавливался на материнской плате в виде отдельной микросхемы, то современные персональные компьютеры не требуют использования этого устройства в этом формате, поскольку изначально оно было встроено в центральный процессор.
Архитектура микропроцессора
Архитектура
микропроцессора (Architecture) – принцип его
внутренней организации, общая структура, конкретная логическая структура
отдельных устройств. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя
систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во
времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и
режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура
микропроцессора — это аппаратная организация и логическая
структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические
устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура
микропроцессора — это система команд, типы обрабатываемых
данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под
архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах
основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
В соответствии с
архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:
Внутреннее устройство АЛУ
Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:
- УУ (микропрограммное устройство). Задает последовательность команд и микрокоманд.
- ОУ. Здесь реализуется ранее заданная последовательность команд и микрокоманд. Операционные устройства, в свою очередь, разделяются по типу обрабатываемой информации, по способу обработки данных, логической структуре.
При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:
- Регистры. Служат для обработки данных, поступающих как из пассивной, так и из оперативной памяти.
- Логические команды. Служат для обработки слов по микрокомандам. Последние, естественно, будут поступать из УУ — устройства управления.
Сами микрокоманды делятся на две категории:
- Поступают от внешнего источника в АЛУ. Вызывают в арифметико-логическом устройстве преобразование информации.
- Генерируются в самом АЛУ. Оказывают свое влияние на микропрограммное устройство. Тем самым изменяют нормальный, стандартный порядок следования команд.
Что такое АЛУ?
Арифметико-логическое устройство – это один из компонентов процессора, который необходим для осуществления преобразований логического и арифметического типа, начиная элементарными и заканчивая сложными выражениями. Разрядность используемых операндов принято считать длиной слова, или размером.
Главная задача АЛУ заключается в переработке данных, хранящихся в оперативной памяти компьютера. Кроме того, арифметико-логическое устройство способно производить сигналы управления, которые направляют ЭВМ на выбор правильного пути для выполнения необходимого вычислительного процесса в зависимости от итоговых типов данных. Все операции задействуют электронные схемы, каждая из которых структурно делится на тысячи элементов. Такие платы обычно быстродейственные и отличаются высокой плотностью.
В зависимости от сигналов, которые поступают на вход, АЛУ выполняют разные типы операций с двумя числами. Любое арифметико-логическое устройство компьютера предусматривает реализацию четырех базовых действий, сдвигов, а также логических преобразований. Набор операций АЛУ – это его главная характеристика.
Составные части арифметико-логического устройства – это четыре основные группы узлов, которые соответствуют процессам управления, передачи, хранения и преобразования поступающих данных.
Что такое процессор
Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.
Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.
Микропроцессоры с CISC архитектурой.
CISC (Complex
Instruction Set Computer) — Компьютер со сложной системой
команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все
микропроцессоры корпораций Intel (Integrated Electronics) и AMD (Advanced
Micro Devices) относятся к категории CISC. Для ускорения работы CISC
процессоров применяется набор дополнительных инструкций (Instruction Set).
Естественно только при условии поддержки данных наборов со стороны приложения.
Все традиционные современные процессоры поддерживают набор инструкций MMX,
который был самым первым (разработан корпорацией Intel еще в 1997 году). MMX
расшифровывается как MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Он
представил дополнительные возможности, ориентированные на обработку цифрового
изображения и звука. В основе технологии лежит концепция (микроархитектура)
SIMD (Single Instruction Many Data – «одна команда, много данных»),
когда при помощи одной инструкции одновременно обрабатывается несколько
элементов данных. SSE, SSE2, 3DNow! — дальнейшее развитие этой идеи.
Микропроцессоры Intel Pentium 3 поддерживают SSE, а Pentium 4 и AMD Athlon 64
еще и SSE2 (это относится и к соответствующим микропроцессорам Intel Celeron).
Процессоры AMD Athlon и Duron поддерживают наборы инструкций 3DNow!Professional
и MMX, в Athlon XP была добавлена поддержка SSE (на уровне микрокода ядра).
Система команд микропроцессора
Несмотря на бурную
эволюцию вычислительной техники, основной набор команд довольно слабо
изменился. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы
команд обработки информации.
Команды передачи
данных (перепись), копирующие информацию из одного
места в другое.
Логические
операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой
информации. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить
сравнение, а также известные логические операции и, или, не.
Сдвиги двоичного
кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются
для реализации умножения и деления.
Команды ввода и
вывода информации для обмена с внешними устройствами.
В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами
памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
Команды
управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда
относят условный и безусловный переходы, а также команды обращения к подпрограмме
(переход с возвратом). Часто к этой группе относят операции по управлению
процессором типа останов или нет операции.
Любая команда ЭВМ
обычно состоит из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть
называемая также кодом операции указывает, какое действие необходимо выполнить
с информацией. Операционная часть имеется у любой команды. Адресная часть
описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат. В
некоторых командах управления работой машины адресная часть может
отсутствовать.
Код операции можно
представить себе как некоторый условный номер в общем списке команд. В основном
этот список построен в соответствии с определенными внутренними
закономерностями.
Адресная часть
обладает значительно большим разнообразием. Основу адресной части составляет
операнд. В зависимости от количества возможных операндов команды могут быть
одно- и двухадресные. В двухадресных командах результат записывается либо в
специальный регистр (сумматор), либо вместо одного из операндов.
Рассмотрим пример с Intel Core i3, i5 и i7
Для более конкретного примера того, как некоторые процессоры работают быстрее других, давайте посмотрим, как Intel разработала свои процессоры.
Как вы, вероятно, подозреваете из их названий, чипы Intel Core i7 работают лучше, чем i5, которые работают лучше, чем i3. Почему один работает лучше или хуже других, немного сложнее, но все же довольно легко понять.
Процессоры Intel Core i3 — двухъядерные, а чипы i5 и i7 — четырехъядерные.
Turbo Boost — это функция в i5 и i7, которая позволяет процессору увеличивать тактовую частоту по сравнению с базовой скоростью, например, с 3,0 ГГц до 3,5 ГГц, когда это необходимо. Чипы Intel Core i3 не имеют такой возможности. Маркировки модели процессоров, оканчивающиеся на «K», могут быть разогнаны, что означает, что эту дополнительную тактовую частоту можно постоянно использовать и использовать.
Hyper-Threading позволяет обрабатывать два потока для каждого ядра ЦП. Это означает, что процессоры i3 с Hyper-Threading поддерживают только четыре одновременных потока (поскольку они являются двухъядерными процессорами). Процессоры Intel Core i5 не поддерживают Hyper-Threading, что означает, что они также могут работать с четырьмя потоками одновременно. Процессоры i7, однако, поддерживают эту технологию, и поэтому (будучи четырехъядерным) могут обрабатывать 8 потоков одновременно.
Из-за ограничений по мощности, присущих устройствам, которые не имеют постоянного источника питания (продукты с батарейным питанием, такие как смартфоны, планшеты и т.д.), Их процессоры — независимо от того, i3, i5 или i7 — отличаются от настольных CPU в том, что они должны найти баланс между производительностью и энергопотреблением.
Кристалл и подложка
Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.
Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.
Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.
Готовый кристалл кремния.
После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.
Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.
Готовые отполированные пластины кремния.
4.4. Что такое архитектура и структура компьютера
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и
структуру.
|
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. |
|
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. |
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
· Классическая
архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое
устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство
управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 4.1).
Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится
и архитектура персонального компьютера с общей
шиной, подробно рассмотренная в разделе 4.18 (рис. 4.26). Все
функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также
системной магистралью.
| Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. |
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера
через специальные контроллеры
— устройства управления периферийными устройствами.
|
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. |
· Многопроцессорная
архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает,
что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков
команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов
одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и
несколько процессоров, представлена на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Архитектура многопроцессорного
компьютера
· Многомашинная вычислительная
система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную
систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою
(локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую
архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от
применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении
задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько
слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных
вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
· Архитектура с параллельными
процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением
одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной
программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой
архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые
вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах
данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов
архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые
радикально отличаются от рассмотренных выше.
Процессор компьютера — цифровое электронное устройство
Процессор компьютера
Среди цифровых электронных устройств одним из наиболее сложных устройств является процессор компьютера. Это своего рода апофеоз развития цифровой техники.
Внешне он представляет собой кремниевую пластину, смонтированную в корпусе, имеющем множество электрических выводов для подключения к электропитанию и к другим устройствам компьютера.
За то, что процессор делается на кремниевых пластинах, на жаргоне компьютерщиков его иногда называют «камень», так как кремний является весьма прочным материалом.
На эту пластину путем очень точного напыления вещества (точность измеряется ангстремами) в вакууме и при соблюдении идеальной чистоты производства воспроизводят сложнейшую и чрезвычайно миниатюрную по своим размерам электрическую схему, состоящую из десятков и сотен тысяч мельчайших элементов (в основном, транзисторов), соединенных между собой специальным образом.
Производство таких устройств является настолько высокотехнологичным, что его смогли освоить только страны с самой развитой экономикой. Занятно, что при производстве процессоров не измеряют брак, как это принято практически во всех отраслях промышленности и производства, а измеряют так называемый процент выхода годных изделий, так как совсем немногие заготовки процессоров в конечном итоге становятся работоспособными устройствами.
Качественно произведенные кремниевые пластинки помещают в корпус с выводами и снабжают устройствами охлаждения (радиатор и вентилятор), так как сотни тысяч миниатюрных транзисторов при своей работе выделяют изрядное количество тепла.
Логическая структура процессора компьютера
Если посмотреть на внутреннюю логическую структуру процессора компьютера, то он представляет собой совокупность соединенных между собой устройств:
— арифметико-логическое устройство (АЛУ), в котором, собственно, и производится преобразование информации,
— устройство управления (УУ), которое предназначено для управления арифметико-логическим устройством,
— и регистры (ячейки) памяти, в которых хранятся входные данные, промежуточные данные и результирующие данные.
Команды, предназначенные для управления работой процессора, попадают из оперативной памяти в устройство управления. Это устройство управляет работой арифметико-логического устройства в соответствии с полученными командами.
В свою очередь, АЛУ в соответствии с полученными из УУ командами, осуществляет
- ввод информации из регистров,
- обработку информации и
- запись обработанной информации в регистры.
Регистры процессора могут обмениваться информацией с ячейками оперативной памяти (тоже на основании команд АЛУ). Поэтому в конечном итоге процессор компьютера
- осуществляет обработку данных, получаемых из оперативной памяти,
- а обработанные данные также размещает в оперативной памяти.
Но сначала разберемся с диодом
Вдыхаем!
Кремний (он же Si – «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.
Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.
У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.
Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.
Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.
При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.
Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.
Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.
Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы «–» касался p-стороны пластины, а «+» – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.
Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. «+» от источника к p-стороне, а «–» – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.
Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.
Особенности российских микропроцессоров
С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.
Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.
История развития процессоров из России:
- 1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
- 2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
- 2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
- 2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…
Назначение и область применения микропроцессоров
Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:
- Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
- Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
- Синхронизация данных на накопителях данных.
- Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.
Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:
- Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
- Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
- Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
- Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.
Как выглядит процессор и где он находится?
Современный процессор обычно маленький и квадратный, с множеством коротких, закругленных металлических разъемов на нижней стороне. У некоторых старых CPU вместо металлических разъемов есть контакты.
Процессор подключается непосредственно к «сокету» процессора (или иногда к «слоту») на материнской плате. Процессор вставляется в гнездо штырьком вниз, а небольшой рычаг помогает закрепить процессор.
Даже через некоторое время современные процессоры могут сильно нагреваться. Чтобы рассеивать это тепло, почти всегда необходимо прикреплять радиатор и вентилятор непосредственно к верхней части CPU. Как правило, они идут в комплекте с покупкой процессора.
Также доступны другие более продвинутые варианты охлаждения, в том числе комплекты «>водяного, воздушного охлаждения и устройства с фазовым переходом.
Не все процессоры имеют контакты на их нижней стороне, но в тех, которые имеют, контакты легко сгибаются
Соблюдайте осторожность при обращении, особенно при установке их на материнскую плату.