Технический блог

Архитектура процессора

Архитектура процессора

Архитектура фон Неймана

Архитектура процессора для персональных компьютеров в общем основана на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом. Он придумал схему постройки компьютера в 1946 году. Отличительной особенностью данной архитектуры является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Архитектура процессора

Архитектура процессора фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана. Для преодоления этого недостатка разработаны параллельные архитектуры процессоров, которые используются в суперкомпьютерах, для повышения эффективности их работы.

Маркировка процессора

Новая буквенно-числовая маркировка процессоров компании Intel:

  • основной брэнд (Intel);
  • линейка (Pentium M Processor);
  • серия (первая цифра в processor number, к примеру, 7xx);
  • уточнение в виде еще двух цифр (идентификатор конкретной модели).

Получаем: Intel Pentium M Processor 735.

Новая буквенно-числовая маркировка процессоров компании AMD:
Компания AMD на данный момент маркирует свою продукцию в соответствии с так называемым PR-рейтингом – указывает частоту аналогичного процессора компании Intel, сопоставимого по производительности с данным процессором. Реальная же частота процессора ниже, чем указанный рейтинг. Например, AthlonXP 2600+ имеет реальную частоту 2133 МГц.

Коэффициент умножения

Тактовая частота процессора равна произведению частоты шины (FSB) на коэффициент умножения. Например, частота шины (FSB) составляет 533 Mhz, коэффициент умножения – 4.5, получаем: 533*4.5= 2398,5 Mгц.

Архитектура процессора, конвейерная

Конвейерная архитектура процессора (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

  • получение и декодирование инструкции (Fetch) ;
  • адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access) ;
  • выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation) ;
  • сохранение результата операции (Store).

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, процессоры Intel Core могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Архитектура процессора, объем кэша

  • объем кэша L1
    Кэш-память первого уровня – это блок высокоскоростной памяти, расположенный прямо на ядре процессора. В него копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора за счет более высокой скорости обработки данных (обработка из кэша быстрее, чем из оперативной памяти). Емкость кэш-памяти первого уровня невелика и исчисляется килобайтами. Диаппазон значений от 8 до 128 Кб.
  • объем кэша L2
    Кэш-память второго уровня – это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем. Если вы выбираете процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша L2 будет предпочтительнее. Диаппазон значений от 128 до 12288 Кб.
  • объем кэша L3
    Интегрированная кэш-память L3 в сочетании с быстрой системной шиной формирует высокоскоростной канал обмена данными с системной памятью. Как правило, кэш-памятью третьего уровня комплектуются только CPU для серверных решений или специальные редакции ‘настольных’ процессоров. Кэш-памятью третьего уровня обладают, например, такие линейки процессоров, как Intel Pentium 4 Extreme Edition, Xeon DP, Itanium 2, Xeon MP и прочие. Диапазон значений от 128 до 16384 Кб.

Линейка процессоров

  • бюджетная линейка процессоров:
    У Intel это Celeron, у AMD – Sempron. Процессоры этих линеек отличаются от своих более дорогих собратьев отсутствием некоторых функций или меньшим значением параметров. Так, у процессора в бюджетной линейке может отсутствовать или быть значительно уменьшенной кэш память разных уровней.
  • старшая линейка процессоров:
    Предназначена для более требовательных приложений (игр, обработки видео и аудио), например, Core 2 Duo, Pentium Dual-Core, Core 2 Quad, Athlon 64 X2 Dual-Core, Core 2 Duo, Phenom и др.
  • серверная линейка процессоров:
    Для серверных решений, как правило, используются специализированные линейки процессоров – Opteron, Xeon и прочие. Core 2 Extreme (ядро Kentsfield или Yorkfield) – топовый четырехъядерный процессор от Intel. Core 2 Quad – мощный четырехъядерный процессор от Intel. Нужно отметить, что число задач, использующих четыре ядра, на сегодняшний день невелико.

Максимальная рабочая температура

Температура процессора зависит от его загруженности и от качества охлаждения. В холостом режиме и при нормальном охлаждении температура процессора находится в пределах 25-40°C, при высокой загруженности она может достигать 60-70 градусов.

Напряжение на ядре

Этот параметр указывает напряжение, которое необходимо процессору для работы (измеряется в вольтах). Он характеризует энергопотребление процессора и особенно важен при выборе CPU для мобильной, нестационарной системы. Лежит в диаппазоне, примерно от 0.85 до 1.75 В.

Архитектура процессора, суперскалярная

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.

3DNow!

3DNow! – это технология, представляющая собой набор из 21 дополнительной команды. Она предназначена для улучшенной обработки мультимедийных приложений. Эта характеристика относится только к процессорам производства компании AMD.

Hyper-Threading

Технология Hyper-Threading, разработанная компанией Intel, позволяет процессору выполнять параллельно два потока команд. Это значительно повышает эффективность выполнения специфических приложений, связанных с аудио и видео редактированием, 3D-моделированием и другими специфическими приложениями, а также работы в многозадачном режиме.

NX Bit

NX Bit представляет собой технологию, которая может предотвращать исполнение вредоносного кода некоторых видов вирусов. Она поддерживается в операционной системе Windows XP при обязательной установке SP2 и во всех 64-битных операционных системах.

SSE2

Технология SSE2 включает в себя набор команд, разработанных компанией Intel в дополнение к своим предыдущим технологиям SSE и MMX. Эти команды позволяют добиться существенного прироста производительности в приложениях, оптимизированных под SSE2.

SSE3

SSE3 – технология, представляющая собой набор из 13 новых команд, призванных улучшить производительность процессора в ряде операций потоковой обработки данных.

SSE4

SSE4 – технология, представляющая собой набор из 54 новых команд. Они призваны увеличить производительность процессора в работе с медиаконтентом, в игровых приложениях, задачах трехмерного моделирования.

Сокет

Тип сокета – характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Разные сокеты соответствуют разным типам процессоров. Современные процессоры Intel используют сокет LGA775, процессоры AMD – сокеты AM2 и AM2+.

Тепловыделение

Тепловыделение – это мощность, которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора. Чем больше значение этого параметра, тем сильнее греется процессор при работе.

Техпроцесс

Техпроцесс – определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора. Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению характеристик процессоров. Для сравнения, у ядра Willamette, выполненного по техпроцессу 0.18 мкм – 42 миллиона транзисторов, а у ядра Prescott, техпроцесс 0.09 мкм – 125 миллионов.

Тактовая частота процессора

Тактовая частота – это количество тактов (операций) процессора в секунду. Тактовая частота процессора пропорциональна частоте шины. Как правило, чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность.

Частота шины данных (Front Side Bus, или FSB)

Частота шины – это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной компьютера. Нужно отметить, что в современных процессорах Intel Pentium 4, Pentium M, Pentium D, Pentium EE, Xeon, Core и Core 2 используется технология Quad Pumping, которая позволяет передавать четыре блока данных за один такт. При этом эффективная частота шины увеличивается в четыре раза. В процессорах компании AMD Athlon 64 и Opteron, с целью увеличения эффективности, использована технология HyperTransport.

Архитектура процессора, ядро

Ядро – это главная часть центрального процессора. Оно определяет большинство его параметров:

  • тип соккета;
  • диапазон рабочих частот;
  • частота работы внутренней шины передачи данных (FSB).

Ядро процессора характеризуется следующими параметрами:

  • технологический процесс;
  • объем внутреннего кэша первого уровня;
  • объем внутреннего кэша второго уровня;
  • напряжение питания процессора;
  • теплоотдача на поверхности процессора.

Новая технология изготовления процессоров позволяет разместить в одном корпусе более одного ядра. Наличие нескольких ядер существенно увеличивает производительность процессора.

Добавить комментарий

12 − 7 =

Закрыть меню