Как работает процессор

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Профессионально-педагогический колледж

Кафедра дизайна сервиса и информационных технологий

Реферат

по архитектуре ЭВМ

Процессор

Специальность 230103 – Автоматизированные системы обработки информации и управления

Выполнил:

Студент группы 211 Т

И.Р.Гатауллин

Руководитель:

М. С. Огородов

Екатеринбург 2009

Содержание

Введение

1. Архитектура фон Неймана

2. Устройство центрального процессора

3. Системная шина

4. CISC, RISC, MISC процессоры

5. Конвейеры

6. Суперскалярные архитектуры

7. Кэш-память

8. Процессоры семейства AMDPhenomII

9. Процессоры семейства IntelCorei7

10. Core i7 920,Phenom II X4 920, Phenom X4 9950

Заключение

Введение

Сегодня мир без компьютера — это немыслимое явление. А ведь мало кто задумывается об устройстве этих "существ". И уж точно никто не знает, насколько умными стали данные аппараты за последние 50 лет. Для многих людей искусственный интеллект и компьютер, который стоит на вашем столе, — это одно и тоже.

Но как люди просвещенные, мы знаем, что до разума человека, или даже собаки любой, даже самой умной, машине еще далеко.А ведь отличие все-таки есть: в мозге живых существ идет параллельная обработка видео, звука, вкуса, ощущений, и т. д., не говоря уже о такой элементарной вещи, как мыслительный процесс, который сопровождает многих от рождения и до самой смерти.Сегодня любой прорыв в информационных технологиях встречается как нечто особо выдающееся. Люди хотят создать себе младшего брата, который, если еще не думает, то хотя бы соображает быстрее их. Понятно, что никакими гигагерцами не измеришь уникум человеческого мозга, но никто и не измеряет, и мы проведем краткую экскурсию в недалекое прошлое и, конечно, в непонятное настоящее развития главной части компьютера, его мозга, его сердца — его центрального процессора.В данный момент эта тема очень актуальна, т.к. современные технологии развиваются стремительно, особенно процессоры.Цель моего реферата познакомиться с устройством центрального процессора, рассмотреть некоторые процессоры.

Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи:

· Узнать основные части процессора

· Для чего они нужны

· Познакомиться с линейкой процессоров Intelcorei7 и AMDPhenomII X4.

· Сравнить некоторые процессоры.

1. Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом. Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановки или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется генератором тактовых импульсов. Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту процессора, промежуток времени между соседними импульсами, определяет время одного такта или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

2. Устройство центрального процессора

Центральный процессор (ЦП; CPU — англ. céntralprócessing únit, дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение арифметических операций, заданных программами операционной системы, и координирующий работу всех устройств компьютера.

На рис.1 показано устройство обычного компьютера. Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно все регистры одинакового размера. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять дальше.

Название "счетчик команд" не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. Еще есть регистр команд, в котором находится команда, выполняемая в данный момент. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют только какие-либо специфические функции.

Рис.1 Схема устройства компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

3. Системная шина

Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой, включая себя:

1. Кодовая шина данных (КШД) – содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов машинного кода операнда.

2. Кодовая шина адреса (КША) – содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода вывода внешнего устройства.

3. Кодовая шина инструкций (КШИ) – содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины.

Системная шина – обеспечивает три направления передачи информации:

1. Между процессором и основной памятью.

2. Между процессором и портами ввода вывода внешних устройств в режиме прямого доступа к памяти.

3. Между основной памятью и портами ввода вывода внешних устройств.

4. CISC , RISC, MISC процессоры

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computer (CISC)— вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computing (RISC) — вычисленияссокращённымнаборомкоманд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM, название придумано Дэвидом Паттерсоном .


1.Какие устройства входят в состав системного блока:

* клавиатура, мышь, монитор;

* микропроцессор, внутренняя память, блок питания;

* микропроцессор, блок питания, колонки.

2.Процессор обрабатывает информацию, представленную:

* в десятичной системе счисления;

* на английском языке;

* на машинном языке (в двоичном коде).

3. При выключении компьютера вся информация в оперативной памяти:

* стирается;

* сохраняется;

* сохраняется частично.

4. При выключении компьютера вся информация в долговременной памяти:

* стирается;

* сохраняется;

* сохраняется частично.

5. При нажатии на правую кнопку мыши появится:

* меню пуск;

* системное меню;

* выпадающий список.

6. Какие бывают виды мониторов по внутреннему устройству:

* электронно-лучевые, жидко-кристаллические;

* цветные и черно-белые;

* жидко-кристаллические, цветные.

7. Портативный компьютер отличается от настольного:

* внешней конфигурацией и размером;

* скоростью записи дисков и размером;

* объемом памяти и скоростью записи.

8. Какое устройство компьютера заменяет сенсорная панель:

* клавиатуру;

* коврик;

* мышку.

9. В целях сохранения информации жесткие диски необходимо оберегать от:

* пониженной температуры;

* перепадов атмосферного давления;

* ударов при установке.

10. Исправить ошибку в тексте можно, нажав на клавиатуре клавиши:

* Delete или Backspace;

* Enter;

* толькоклавиша Delete.

11. Какие устройства составляют стандартную конфигурацию компьютера:

* монитор, системный блок, мышь, клавиатура;

* монитор, системный блок, модем;

* системный блок, микропроцессор, жесткий диск.

Микропроцессор (CPU-Central Processing Unit) – это центральное устройство ПК, которое выполняет арифметические и логические операции и управляет работой всех блоков ПК.

Процессорявляется основной частью ЭВМ. Он состоит из 3х устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и сверхоперативного запоминающего устройства (СОЗУ), характерного для современных микропроцессоров.

СТРУКТУРА:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).Выполняет арифметические и логические операции над информацией.

2. Устройство управления (УУ). Управляет вычислительным процессом ЭВМ и обеспечивает автоматическую обработку информации в машине.

3. Микропроцессорная память (МП, кэш-память 1 уровня). Хранит результаты, которые на следующем или ближайшем шаге вычислений должны участвовать в операциях.

ХАРАКТЕРИСТИКИ:

1. Модель (INTEL и AMD – основные).

2. Тактовая частота – частота генерирующих электрических импульсов. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц.

3. Разрядность обрабатываемых чисел – это максимальная длина двоичного кода (машинного слова), который может обрабатывать микропроцессор целиком. Это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера.

4. Адресное пространство. Каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.

МНОГОЯДЕРНЫЙ ПРОЦЕССОР – центральный микропроцессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. Достоинства многоядерных микропроцессоров: 1. Возможность распределять работу программ по нескольким ядрам. 2. ↑ скорости работы ядра. 3. Более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений. Проблемы многоядерных: 1. Возросшая себестоимость производства. 2. Возросшее энергопотребление требует применение мощных схем питания. 3. Требуется более мощная система охлаждения. 4. Количество оптимизированного под многоядерность ПО пока мало.

Таким образом, ПРОЦЕССОР – это устройство, которое выполняет обработку информации и управляет вычислительным процессом в ЭВМ.Процессор служит: 1. для выполнения арифметических и логических операций; 2. определяет последовательность выполнения команд программы; 3. организует обращение к памяти и внешним устройствам ЭВМ; 4. вырабатывает различные управляющие сигналы и т.д.

Наибольшее распространение во всем мире получили МП фирмы Intel (США) или их аналоги производства других фирм.

Следующим поколением процессоров является Pentium (данное слово является официальным зарегистрированным названием типа микропроцессора фирмы Intel, следующего за 486). МП этого поколения имеют большое превосходство над моделями предыдущих поколений и могут иметь тактовую частоту более 60 МГц.

Более усовершенствованная модель – микропроцессор Pentium II, работающий с тактовой частотой от 233 Мгц до 450 МГц и выполненный на основе технологии ММХ. Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных операций с целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие программы, которые используют графику, аудио, трехмерное изображение, мультипликацию и т.п.

Учитывая высокую стоимость процессоров Pentium II, корпорация Intel в апреле 1998 г.

анонсировала первый процессор семейства Celeron. Все процессоры семейства Celeron поддерживают технологию MMX и представляют собой удешевленную версию процессора Pentium II. Процессор Pentium III пришел на смену Pentium II в феврале 1999 г. Основное отличие данного процессора состоит в том, что он поддерживает набор из 70 новых команд, благодаря чему расширяются возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, распознавание речи. В ноябре 2000 года появились процессоры Pentium IV с тактовой частотой 1.3;1.4;1.5 ГГц. По сравнению с предшественником в процессоре Pentium IV реализована новая архитектура, которая позволяет поднимать тактовые частоты процессора до 2.8 ГГц

Все процессоры Pentium имеют встроенные сопроцессоры, а многие – встроенную кэш-память.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции: • чтение и дешифрацию команд из основных памяти; • чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств; • прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств; • обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств; • выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства. 1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. 2.

Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции: • формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций; • формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; • получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов. 3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. 4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя: • внутренний интерфейс микропроцессора; • буферные запоминающие регистры; • схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода – это аппаратура сопряжения, позволяющая подключать к микропроцессору другое устройство). К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций.

Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Прерывание– это временная остановка выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.


⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒


Дата публикования: 2015-02-03; Прочитано: 5012 | Нарушение авторского права страницы



studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.002 с)…

May 21, 2015

Центральное процессорное устройство (англ. CPU – centralprocessingunit) – электронный блок на котором выполняются набор машинных инструкций (арифметические и логические вычисления). Изначально этот термин относился к определенным логическим машинам, задачей которых было выполнение сложных компьютерных программ. Со временем, с начала 1960-х годов, определение центральное процессорное устройство было естественным образом перенесено на компьютеры. В настоящее время CPU реализуется в рамках компьютерного процессора (чипа), микропроцессора (интегральная схема) или многоядерного процессора.

История развития процессоров началась после Второй мировой войны. В 1946 году был разработан первый электронный компьютер общего назначения ЭНИАК (англ. ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer — Электронный числовой интегратор и вычислитель).

ENIAC разрабатывался для расчетов артиллерийских таблиц, но впоследствии был перепрофилирован для решения задач широкого спектра. Первоначально результаты работы этого компьютера перепроверяли математики.

Термин CPU, как правило, означает устройство для исполнения программного обеспечения (компьютерной программы). Самые ранние устройства, которые по праву можно называть процессорами, были разработаны с появлением хранимой компьютерной программы.

Летом 1945 года математик Джон фон Нейман распространил «первый проект отчета о EDVAC» (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Проект был реализован в 1949 году командой ученых во главе с Джоном Мокли и Джоном Экертом. Главное отличие от ENIAC было использование двоичной системы, а не десятичной. EDVAC мог выполнить определенное количество инструкций (или операций) различных типов. Важно отметить, что программы, написанные для EDVAC хранились на подключаемом физическом носителе, а не в памяти компьютера. Это выгодно отличало его от ENIAC, для которого требовалось значительное время чтобы перенастроить на выполнение новых задач. Тем не менее EDVAC был не первой электронной вычислительной машиной с хранимыми в оперативной памяти программами реализовавшим архитектуру фон Неймана. Небольшой прототип, созданный в Манчестерском институте и Манчестерский Mark I, выполнили свои первые программы 21 июня 1948 года и 17 июля 1949 года соответственно.

С середины 1950-х годов и до середины 60-х прошел этап усовершенствования процессоров, связанный с применением транзисторов, которые заменили громоздкие, ненадежные и хрупкие вакуумные лампы и электрические реле. Благодаря этому усовершенствованию были построены процессоры более быстрые и более надежные на одной или нескольких печатных платах, содержащих отдельные компоненты.

В 1964 году IBM представила свой новый компьютер архитектуры System/360. Эта архитектура была использована в серии компьютеров, которые могли выполнять те же программы с разной скоростью и производительностью. Это было значимо для того времени, поскольку большинство компьютеров, даже одного производителя, были несовместимы. Чтобы решить эту задачу в IBM использовали понятие прошивки (микрокод), которая используется даже в современных процессорах. Процессоры с архитектурой System/360 были настолько популярны, что доминировали на рынке ЭВМ в течение многих десятилетий.

Компьютеры на основе транзисторов имели ряд преимуществ над своими предшественниками. Помимо повышенной надежности и низкого энергопотребления транзисторы позволяли процессору работать на гораздо больших скоростях из-за меньшего времени переключения транзистора по сравнению с лампой или реле.

В 1970 годы произошел прорыв в технологии создания процессора.

Была создана интегральная схема на кристалле которой были расположены основные элементы и блоки процессора. Эта микросхема известна как микропроцессор. В 1971 году фирма Intel выпустила первый коммерчески доступный 4-разрядный микропроцессор Intel 4004.

В следующие несколько лет Intel выпустили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086. Эти процессоры заложили основы архитектуры микропроцессоров для современных персональных компьютеров. Оптимальным материалом для изготовления микропроцессоров стал кремний.

В то время как за последние шестьдесят лет кардинально изменились сложность, размер, архитектура и общий вид процессора, следует отметить, что основные операции практически не изменились. Почти все общие процессы описаны архитектурой Неймана, законами Мура и др. В настоящее время по-прежнему исследуются новые методы расчета, такие, как квантовые вычисления, использование параллельных вычислений и других методов, которые усовершенствуют классическую модель фон Неймана.

Основная работа большинства процессоров заключается в последовательном выполнении определенных инструкций (вычислений), называемых программой. Есть три шага, которые используют в своей работе практически все процессоры: получение команды (чтение), декодирование и выполнение.Первый шаг – получение инструкций. На этой стадии процессор получает инструкцию, которая представлена числом или последовательностью чисел из программной памяти. Расположение инструкции (адрес) в памяти определяется счетчиком команд. В нем хранится число, которое идентифицирует адрес следующей инструкции. После, команда извлекается, компьютер получает приращение на длину командного слова так, что она будет содержать адрес следующей команды. В зависимости от типа памяти и чипа обработки, этот шаг может быть выполнен быстро или медленно. Этот вопрос в значительной степени решен в современных процессорах кэшем.

Следующим шагом является фаза декодирования. Центральный процессор получает программный код, как инструкции. Значение числовой инструкции определяется набором команд процессора. Группы чисел в инструкции называется кодом операции, который указывает какие и в каком порядке операции выполнять. После того как процессор нашел программу и получил код он должен определить, что именно программа хочет сделать. Есть сотни различных типов языков программирования. ЦП должен быть в состоянии расшифровать тип языка программирования используемого в коде, так чтобы понять, что делать с программой дальше. По сути декодирование – это перевод команд программы с языка программирования в численные значения. В старых моделях процессоров для декодирования команд использовались аппаратные устройства. Современные ЦПУ используют микропрограмму в качестве переводчика для улучшения связи между языком программирования, который использует код и процессора. Основная работа микропрограммы заключается в том, чтобы прочитать код и переписать его таким образом, что процессор понимал его.

Третий этап – выполнение. В зависимости от архитектуры процессора, исполнение может состоять из одного действия или последовательности действий. Очень часто результаты записываются во внутренний регистр процессора для быстрого исполнения последующими инструкциями. Используя полученную и декодированную информацию процессор может запустить программу. Полученный от микропрограммы декодированный код операции позволяет процессору определить порядок выполнения кода, после чего происходит загрузка всех компонентов установленных полученной командой. Это называется выполнением кода.

Производительность или скорость процессора, помимо многих других факторов, зависит от тактовой частоты (обычно измеряется в Герцах, Гц), а также количество операций за такт. Вместе эти факторы определяют количество операций в секунду, которые может выполнять процессор.

Производительность компьютеров может быть увеличена с помощью многоядерных процессоров, которые представляют собой соединение двух или более отдельных процессоров (ядер) на одной интегральной схеме. В идеале, двухъядерный процессор должен быть в два раза мощнее одноядерного. На практике прирост производительности намного меньше, лишь около 50% из-за несовершенства алгоритмов и программной реализации.

В ближайшем будущем материальная часть процессоров будет изменена. Это неизбежно произойдет поскольку технологический процесс производства процессоров в том виде какими они известны на сегодняшний день достигает физических пределов. В перспективе есть несколько направлений.

  • Оптические компьютеры, основанные на оптических или фотонных вычислениях. Вместо традиционных электрических сигналов (движение электронов) обработке подвергаются фотоны (потоки света), произведенные лазерами или светодиодами. С помощью фотонов можно значительно увеличить пропускную способность (количество обработанных сигналов) процессора.
  • Квантовые компьютеры основаны на квантовой механике. Разработка этих вычислительных устройств является одной из приоритетных задач современной физики. Полноценно работающий образец пока не собран, разработка связана с множеством сложных экспериментов и теоретических исследований.
  • Молекулярные компьютеры вместо традиционных кремниевых технологий используют молекулярную биологию и биохимию. Разработка молекулярных компьютеров является быстро развивающейся междисциплинарной областью. В основе лежит возможность программирования молекул на нужное поведение.

 

Структура центрального процессора

Чтобы непрофессионалу стало понятно, как работает центральный процессор компьютера, рассмотрим из каких блоков он состоит:

— блок управления процессором;

— регистры команд и данных;

— арифметико-логические устройства (выполняют арифметические и логические операции);

— блок операций с действительными числами, то есть с числами с плавающей точкой или проще говоря с дробями (FPU);

— буферная память (кэш) первого уровня (отдельно для команд и данных);

— буферная память (кэш) второго уровня для хранения промежуточных результатов вычислений;

— в большинстве современных процессоров имеется и кэш третьего уровня;

— интерфейс системной шины.

 

Принцип работы процессора

Алгоритм работы центрального процессора компьютера можно представить как последовательность следующих действий.

— Блок управления процессором берет из оперативной памяти, в которую загружена программа, определенные значения (данные) и команды которые необходимо выполнить (инструкции). Эти данные загружаются в кэш-память процессора.

— Из буферной памяти процессора (кэша) инструкции и полученные данные записываются в регистры. Инструкции помещаются в регистры команд, а значения в регистры данных.

— Арифметико-логическое устройство считывает инструкции и данные из соответствующих регистров процессора и выполняет эти команды над полученными числами.

— Результаты снова записываются в регистры и если вычисления закончены в буферную память процессора.

Регистров у процессора совсем немного, поэтому он вынужден хранить промежуточные результаты в кэш-памяти различного уровня.

— Новые данные и команды, необходимые для расчетов, загружаются в кеш верхнего уровня (из третьего во второй, из второго в первый), а неиспользуемые данные наоборот в кэш нижнего уровня.

— Если цикл вычислений закончен, результат записывается в оперативную память компьютера для высвобождения места в буферной памяти процессора для новых вычислений.

То же самой происходит при переполнении данными кэш-памяти: неиспользуемые данные перемещаются в кеш нижнего уровня или в оперативную память.

Последовательность этих операций образует операционный поток процессора. Во время работы процессор сильно нагревается. Чтобы этого не происходило нужно своевременно делать чистку ноутбука на дому.

Чтобы ускорить работу центрального процессора и увеличить производительность вычислений, постоянно разрабатывают новые архитектурные решения, увеличивающие КПД процессора.

Среди них конвейерное выполнение операций, трассировка, то есть попытка предвидеть дальнейшие действия программы, параллельная отработка команд (инструкций), многопоточность а также многоядерность.

Многоядерный процессор имеет несколько вычислительных ядер, то есть несколько арифметико-логических блоков, блоков вычислений с плавающей точкой и регистров, а также кэш первого уровня, объединенных каждый в свое ядро. Ядра имеют общую буферную память второго и третьего уровня. Появление кэш-памяти третьего уровня как раз и было вызвано многоядерностью и соответственно потребностью в большем объеме быстрой буферной памяти для хранения промежуточных результатов вычислений.

Основными показателями, влияющими на скорость обработки данных процессором является число вычислительных ядер, длина конвейера, тактовая частота  и объем кэш памяти. Чтобы увеличить производительность компьютера часто требуется сменить именно процессор, а это влечет и замену материнской платы и оперативной памяти. Выполнить апгрейд, настройку и ремонт компьютера на дому в Москве помогут специалисты нашего сервисного центра, если вас пугает процесс самостоятельной сборки и модернизации компьютера.

 

Добавить комментарий

Закрыть меню