CPU (Skrátený CPU - centrálny procesor alebo medzinárodný CPU) je hlavným výpočtovým prvkom v počítači. V skutočnosti je srdcom počítača. Leží všetky práce na spracovanie údajov. Srdce sa zastavilo - počítač zomrel. Práca procesu procesora do určitej miery sa podobá práci srdca, pretože Pracuje pod kontrolou elektronických impulzov, tzv. Frekvencia hodín je najdôležitejšou charakteristikou procesora, meria sa v Gigahertz (GHz). Záleží na rýchlosti a výkone vášho počítača. Nad frekvenciou hodín to znamená rýchlejšie ako rýchlosť výpočtov. Moderné spracovatelia vykonávajú niekoľko miliónov operácií za sekundu.

Fyzicky je procesor kovová doska s množstvom nôh (výstupov) inštalovaných v tzv. Soketu (konektor). Vnútri dosky je polovodičový kryštál obsahujúci až 2 miliardy logických prvkov - tranzistory. Ich veľkosť je tak malý, že sa zmestia na kryštál 4-6 cm2.

Hlavní výrobcovia procesorov súťažia s inou spoločnosťou Intel a AMD. Bez ohľadu na výrobcu má procesor charakteristické, na ktorých závisí jeho rýchlosť.

Hlavné charakteristiky procesora

Procesor má množstvo charakteristík, ale budeme sa pozrieť na najdôležitejšie poznať čajovú kanvicu. Spravidla sú uvedené v charakteristikách počítača v obchode.

Hodinový frekvencia. Jeden z najdôležitejších parametrov procesora označujúci počet hodín za sekundu a v závislosti od modelu procesora môže dosiahnuť 3GHz a vyššie.

Počet jadier. Kernel je hlavným počítačovým procesorovým modulom. Moderné spracovatelia dospievajú z 2 až 8 počítačových jadier v jednom prípade. Tento prístup vám umožňuje zvýšiť výkon CPU distribúciou spracovania údajov na jadier. Pre jednoduchosť porozumenia môžeme povedať, že v jednom prípade je umiestnených niekoľko procesorov.

Moderný spotrebiteľ elektroniky je veľmi ťažké prekvapiť. Sme už zvyknutí na skutočnosť, že naše vrecko je legálne obsadené smartfónom, laptop leží vo vrecku, "inteligentné" hodiny sú poslušní na ruke, a slúchadlá s aktívnym systémom redukcie hluku sú pohladené.

Vtipná vec, ale my sme s vami nosili nie sám, ale naraz dva, tri a viac počítačov. Koniec koncov, je to tak, že môžete volať zariadenie, ktoré má cPU. A nie je vôbec dôležité, pretože špecifické zariadenie vyzerá. Pre jeho prácu, miniatúrny čip je zodpovedaný, prekonáva vŕtanie a rýchlu cestu vývoja.

Prečo sme zvýšili tému procesorov? Všetko je jednoduché. Počas posledných desiatich rokov došlo k skutočnej revolúcii vo svete mobilných zariadení.

Medzi týmito zariadeniami len 10 rokov rozdielu. Ale Nokia N95 Potom sa nám zdalo ako vesmírne zariadenie a na Arkit dnes sa pozeráme s určitou nedôverou

Ale všetko by mohlo vypracovať inak a Shabby Pentium IV zostal limit udalostí obyčajného kupujúceho.

Snažili sme sa robiť bez zložitých technických podmienok a povedzme, ako procesor funguje, a zistiť, aká architektúra budúcnosť.

1. Čo je to všetko

Prvé spracovatelia neboli absolútne podobné tomu, čo vidíte, otvorte kryt systémového bloku vášho počítača.

Namiesto čipu v 40. rokoch 20. storočia elektromechanické reléDoplnené vákuovými lampami. Svietidlá vykonávali úlohu diódy, ktorej stav by sa mohol nastaviť znížením alebo zvýšením napätia v reťazci. Vyzerajte takéto štruktúry takto:

Pre prácu jedného giganického počítača boli potrebné stovky, niekedy tisíce procesorov. Ale zároveň nemohli ste bežať na takomto počítači aj jednoduchý editor, ako napríklad poznámkový blok alebo textedit zo štandardnej sady systému Windows a Macos. Počítačový trit by nemal dostatok energie.

2. Vzhľad tranzistorov

najprv tranzistory v roku 1928. Ale svet sa zmenil až po vzhľade tzv. bipolárne tranzistoryOtvorené v roku 1947.

Koncom 40. rokov, Walter Batssky a teoretik John Bardin, John Bardin, vyvinuli prvý bod tranzistora. V roku 1950 bol nahradený prvým tranzistorom lietadla a v roku 1954 oznámila notorious výrobca nástrojov Texasu a oznámil kremíkový tranzistor.

Skutočná revolúcia sa však vyskytla v roku 1959, keď vedec Jean Enri vyvinula prvý silikónový planárny (plochý) tranzistor, ktorý sa stal základom pre monolitické integrované obvody.

Áno, je to trochu ťažké, tak svietime trochu hlbšie a riešiť teoretickú časť.

3. Ako tranzistorová práca

Tak, úloha takejto elektrickej zložky ako tranzistor spočíva v súčasnom manažmente. Jednoducho povedané, tento malý šikovný prepínač riadi tok elektriny.

Hlavnou výhodou tranzistora obvyklého spínača je, že nevyžaduje prítomnosť osoby. Tí. Spojte aktuálny takýto prvok je schopný nezávisle. Okrem toho funguje oveľa rýchlejšie, než by ste mali nezávisle zahrnúť alebo vypnúť elektrický obvod.

Zo školského priebehu informatiky, určite, pamätajte, že počítač "chápe" ľudským jazykom kombináciou iba dvoch stavov: "Enabled" a "vypnuté". V pochopení auta je tento stav "0" alebo "1".

Úlohou počítača je odoslanie elektrina vo forme čísel.

A ak už skôr, úloha prechodných stavov bola vykonaná smiešnami, objemnými a neefektívnymi elektrickými relémi, teraz táto rutinná práca prevzala tranzistor.

Od začiatku 60. rokov začali tranzistory vyrábať zo silikónu, čo umožnilo nielen robiť procesory kompaktné, ale tiež výrazne zvýšiť ich spoľahlivosť.

Ale najprv sa budeme zaoberať diódou

Silikón (HE SI - "Silicium" v tabuľke MENDELEEEV) sa vzťahuje na kategóriu polovodičov, čo to znamená, na jednej strane preskočí prúd lepší ako dielektrika, na druhej strane to robí horšie ako kov.

Chceme to alebo nie, ale na pochopenie práce a ďalšia história rozvoja procesorov bude musieť ponoriť do štruktúry jedného atómu kremíka. Nebojte sa, urobte to stručne a veľmi jasné.

Transistorovou úlohou je zvýšiť slabý signál v dôsledku dodatočného zdroja napájania.

Atom silikón má štyri elektróny, vďaka ktorej tvorí komunikáciu (A ak je to presné - kovalentné väzby) S tým istým okolitým tromi atómami, ktoré tvoria kryštálovú mriežku. Zatiaľ čo väčšina elektrónov je v spojení, nevýznamná časť z nich je schopná pohybuť cez kryštálovú mriežku. Práve z dôvodu takéhoto čiastočného prechodu elektrónov kremíka na polovodičov.

Takýto slabý elektrónový pohyb by však nedovolil tranzistor v praxi, takže vedci sa rozhodli zvýšiť výkonnosť tranzistorov v dôsledku dopingJednoducho dajte - prírastky do atómov kryštálovej silikónovej mriežky prvkov s charakteristickým umiestnením elektrónov.

Začal používať 5-valenčný príjem fosforu, kvôli tomu, čo dostali transistory typu N. Prítomnosť prídavného elektrónu umožnila urýchliť ich pohyb, zdvíhanie prúdu.

Keď doping tranzistory pruh Takýmto katalyzátorom bol BOHR, ktorý obsahuje tri elektróny. Vzhľadom na nedostatok jedného elektrónu sa otvoria v kryštálovej mriežke (vznikajú otvory (vykonávajú pozitívny náboj), ale vzhľadom na to, že elektróny sú schopné naplniť tieto otvory, vodivosť kremíka stúpa.

Predpokladajme, že sme si vzali silikónovú dosku a znížili jednu časť pomocou nečistoty typu P a druhý - použitie N-typu. Takže máme dióda - Základný prvok tranzistora.

Teraz sa elektróny v N-časti snažia ísť na otvory umiestnené v p-časti. Zároveň bude mať N-Side mierne negatívne a P-Side je pozitívne nabitia. Vzdelávajúci sa v dôsledku tohto "záťažového" elektrického poľa -barer, zabráni ďalšiemu pohybu elektrónov.

Ak pripojíte zdroj napájania na diódu takým spôsobom, že "-" strana dosky a "+" - n-stranou, prúd prúdu bude nemožné z dôvodu, že otvory budú priťahované Mítos kontakt napájacieho zdroja a elektróny k pozitívnemu a spojenie medzi elektrónmi P a N stranami sa stratia v dôsledku expanzie kombinovanej vrstvy.

Ale ak pripojíte napájanie s dostatočným napätím naopak, t.j. "+" Zo zdroja do P-SIDE, a "-" - na N-SIDE, umiestnené na N-bočných elektronikách sa odpudzuje záporným pólom a zatlačí sa do p-boku, zaberá otvory v p --región.

Ale teraz elektróny láka napájanie k pozitívnemu pólu a naďalej sa pohybujú cez p-dier. Tento fenomén bol nazývaný priame posunutie diódy.

Dióda + dióda \u003d tranzistor

Samozrejme, tranzistor môže byť reprezentovaný ako dvakrát podložené. Súčasne, P-oblasť (ten, kde sú umiestnené diery), ktoré sa stanú spoločnými a označovanými ako "základňa".

W. N-P-N tranzistor Dve n-oblasti s ďalšími elektrónmi - sú "Emitter" a "kolektor" a jedna, slabá oblasť s otvormi - P-oblasť, nazývaná "základňa".

Ak pripojíte napájanie (zavolajte to v1) do n-regiónov tranzistora (bez ohľadu na pól), jedna dióda dostane opačný posun a tranzistor bude v uzavretom stave.

Ale hneď, ako budeme pripojiť ďalší zdroj napájania (poďme IT V2), Nastavenie "+" Kontakt na "Central" P-oblasť (základňa), "-" kontakt na N-regióne (Emitter), Časť elektrónov bude prúdiť opäť vzdelaným reťazcom (V2) a časť priláka pozitívny N-región. Výsledkom je, že elektróny budú prúdiť do oblasti kolektora, a slabý elektrický prúd bude posilnený.

Vydávam!

4. Tak ako počítač funguje?

A teraz najdôležitejšia vec.

V závislosti od dodaného napätia môže byť tranzistor buď otvorenébuď zatvorené. Ak nie je napätie nedostatočné na prekonanie potenciálnej bariéry (z jednej na spojoch P a N doskách) - tranzistor bude v uzavretom stave - v "off" alebo, hovoriacom binárnemu systému - "0".

Pri dostatočnom napätí sa tranzistor otvorí, a dostaneme v binárnom systéme hodnotu "Enabled" alebo "1".

Takýto stav, 0 alebo 1 sa v počítačovom priemysle nazývaný "bit".

Tí. Dostaneme hlavnú vlastnosť samotného prepínača, ktorý otvoril cestu k počítačom na ľudstvo!

V prvej elektronickej digitálnej kalkulačke Enica a jednoducho vložte - prvý počítač, bolo použitých asi 18 tisíc svietidiel. Veľkosť počítača bola porovnateľná s tenisovým kurtom a jeho hmotnosť bola 30 ton.

Ak chcete pochopiť prácu procesora, musíte pochopiť ďalšie dva kľúčové body.

Moment 1.. Tak sme sa rozhodli, čo trocha. Ale s ním môžeme získať dve charakteristiky niečoho: alebo "áno" alebo "nie". Aby sa počítač naučil, aby sme sa naučili lepšie porozumieť, vynašiel kombináciu 8 bitov (0 alebo 1), čo bolo prezývané bajt.

Používanie bajtov môžete kódovať číslo od nuly do 255. Používanie týchto 255 číslic - kombinácie nuly a jednotiek môžete niečo kódovať.

Moment 2. Prítomnosť čísel a písmen bez akejkoľvek logiky by nič nedal. Preto sa objavil koncept logickí operátori.

Pripojením iba dvoch tranzistorov určitým spôsobom môžete vykonať niekoľko logických akcií naraz: "A", "alebo". Kombinácia hodnôt napätia na každom tranzistore a typ pripojenia vám umožňuje získať rôzne kombinácie nuly a jednotiek.

Úsilie o hodnoty programátorov Zeros a jednotky, binárny systém, začal prekladať do desatinného miesta, aby sme pochopili, čo presne počítač "hovorí". A na zadanie príkazov sme oboznámení s akciami, ako napríklad zadanie písmen klávesnice, predstavujú ako binárny reťazec príkazov.

Jednoducho povedané, predstavte si, že existuje tabuľka zhody, povedzme, ASCII, v ktorom každé písmeno zodpovedá kombinácii 0 a 1. ste stlačili tlačidlo na klávesnici, a v tomto bode procesu, vďaka programu, vďaka programu, Tranzistory prepínali tak, aby sa obrazovka zobrazovala na obrazovke najviac napísané na kľúč kľúča.

Toto je celkom primitívne vysvetlenie princípu prevádzky procesora a počítača, ale je to pochopenie toho, ktoré nám umožňuje ísť ďalej.

5. A tranzistorový závod začal

Po roku 1952, Britský rádiový inžinier Jeffrey Damer ponúkol umiestniť najjednoduchšie elektronické komponenty v monolitickom polovodičovom krištáľu, počítačový priemysel urobil sedem míľ vpred.

Z integrovaných obvodov navrhnutých spoločnosťou Damer sa inžinieri rýchlo presunuli mikročipsKtorý sa použil tranzistory. Na druhej strane, niekoľko takýchto žetónov sa už vytvorilo cPU.

Samozrejme, rozmery takýchto spracovateľov sú trochu iné s moderným. Okrem toho, až do roku 1964 mali všetky procesory jeden problém. Požiadali individuálny prístup - svoj programovací jazyk pre každý procesor.

• 1964 IBM systém / 360 rok. Kompatibilný počítač kompatibilný s kódom Universal Program. Na druhú sa môže použiť súbor pokynov pre jeden model procesora.
• 70. rokov. Vzhľad prvých mikroprocesorov. Jednorazový procesor z Intel. Intel 4004 - 10 mikrónov TP, 2 300 tranzistorov, 740 kHz.
• 1973 Intel 4040 a Intel 8008. 3000 tranzistorov, 740 KHz v Tranzistoroch Intel 4040 a 3 500 na 500 kHz v Intel 8008.
• 1974 Intel 8080. 6 μm TP a 6000 tranzistorov. Frekvencia hodín je asi 5000 kHz. Tento procesor bol použitý v počítači ALTAIR-8800. Sekvenovaná kópia Intel 8080 je procesor KR580BM80A, vyvinutý Kyjev NII mikropribilov. 8 bitov.
• 1976 Rok Intel 8080. 3 mikróny TP a 6500 tranzistorov. Frekvencia hodín je 6 MHz. 8 bitov.
• 1976 Zilog Z80. 3 mikróny TP a 8 500 tranzistorov. Frekvencia hodín do 8 MHz. 8 bitov.
• 1978 Intel 8086. 3 mikróny TP a 29 000 tranzistorov. Frekvencia hodín je asi 25 MHz. Systém príkazového systému X86, ktorý sa používa dnes. 16 bitov.
• 1980 Intel 80186. 3 μm TP a 134 000 tranzistorov. Frekvencia hodín - až 25 MHz. 16 bitov.
• 1982 Intel 80286. 1,5 mikrónov TP a 134 000 tranzistorov. Frekvencia - až 12,5 MHz. 16 bitov.
• 1982 MOTOROLA 68000. 3 μm a 84 000 tranzistorov. Tento procesor bol použitý v počítačové jablko. Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 mikrónov TP a 275 000 tranzistorov. Prax - Až 33 MHz vo verzii 386SX.

Zdá sa, že pokračovať v zozname by bolo nekonečno, ale inžinieri Intel čelia vážnemu problému.

6. MOORE PRAVDA ALEBO KTORÉHO PRAVDUJEME

Na konci 80. rokov. Aj na začiatku 60. rokov, jeden zo zakladateľov Intel Gordon Moore formuloval tzv. "Moore Act". Znie to takto:

Každý 24 mesiacov sa zdvojnásobí počet tranzistorov umiestnených na kryštále integrovaného obvodu.

Názov Tento zákon je zložitý. Skôr to bude krížený svojimi empirickými pozorovaním. Porovnanie tempo rozvoja technológie, Moore dospel k záveru, že takáto tendencia môže byť vytvorená.

Ale počas vývoja štvrtej generácie procesorov Intel I486 sa inžinieri stretli so skutočnosťou, že strop výkonnosti bol už dosiahnutý a už nemôže ubytovať väčší počet procesorov na tej istej oblasti. V tom čase to technológia to neumožnilo.

Ako riešenie bolo zistené variant pomocou viacerých ďalších prvkov:

• rýchla vyrovnávacia pamäť;
• dopravník;
• vstavaný koprocesor;
• multiplikátor.

Časť výpočtového zaťaženia ležal na pleciach týchto štyroch uzlov. Výsledkom je, že vzhľad pamäte vyrovnávacej pamäte na jednej strane komplikoval návrh procesu procesora, na druhej strane - to sa stalo oveľa silnejším.

Procesor Intel I486 už pozostával z 1,2 milióna tranzistorov a maximálna frekvencia jej práce dosiahla 50 MHz.

V roku 1995 sa spoločnosť AMD pripojí k vývoju a vyrába najrýchlejší procesor I486 kompatibilný AM5X86 na 32-bitovej architektúre v tom čase. Už bola vyrobená na technickom procese 350 nanometrov a počet zavedených procesorov dosiahol 1,6 milióna jednotiek. Frekvencia hodín sa zvýšila na 133 MHz.

Ale na Chase ďalšie zvýšenie počtu procesorov nainštalovaných CACS inštalovaných na krištáľu a vývoj CACK (komplexné inštrukčné nastavenie výpočtovej techniky) Chipames neriešil. Namiesto toho American Engineer David Patterson navrhol optimalizovať prácu procesorov, ponechávajte len tie potrebné výpočtové pokyny.

Takže výrobcovia procesorov prepínali na platformu RISC (redukovalo inštrukčné nastavenie počítača]. Ale nestačí.

V roku 1991, 64-bitový procesor R4000 pracujúci pri frekvencii 100 MHz. Po troch rokoch sa objaví procesor R8000 a ďalšie dva roky - R10000 s frekvenciou hodín až do 195 MHz. Súčasne sa vyvinul trh s procesorom SPARC, ktorý je súčasťou architektúry, ktorý bol nedostatok návodu na násobenie a rozdelenie.

Namiesto toho boj o počet tranzistorov, výrobcovia čipov začali revidovať svoju architektúru. Odmietnutie z "nepotrebných" príkazov, vykonanie pokynov v jednom hodinách, prítomnosť registrov všeobecných hodnôt a potrubia umožnilo okamžite zvýšiť frekvenciu hodín a silu procesorov, nie preveriť s počtom tranzistorov.

Tu sú len niektoré architektúry od roku 1980 do roku 1995:

• Sparc;
• Rameno;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Boli založené na platforme RISC av niektorých prípadoch čiastočné, kombinované používanie platformy CACK. Vývoj technológie však opäť vytlačil chipmetry, aby pokračovali v náraste procesorov.

V auguste 1999, AMD K7 Athlon, vyrobený 250 nanometrom technický proces a zahŕňajúci 22 miliónov tranzistorov. Neskôr bar vystúpil na 38 miliónov procesorov. Až do 250 miliónov

Technologický procesor sa zvýšil, frekvencia hodín rástla. Ale ako fyzika číta, je tu limit.

7. Koniec tranzistorových súťaží

V roku 2007 Gordon Moore urobil veľmi ostré vyhlásenie:

Právo Moore už čoskoro nekoná. Nie je možné vytvoriť neobmedzený počet procesorov do nekonečna. Dôvodom je atómová povaha látky.

Je viditeľná voľným okom, že dvaja poprední výrobcovia AMD a Intel čipov explicitne spomaľujú tempo rozvoja procesora. Presnosť technologického procesu sa zvýšila len na niekoľko nanometrov, ale nie je možné poslať ešte viac procesorov.

A zatiaľ čo výrobcovia polovodičov ohrozujú viacvrstvové tranzistory, ktoré vykonávajú paralelnú s pamäťou 3DNAD, vážny konkurent sa objavil v architektonickej stene pred 18 rokmi.

8. Čo čaká na "bežné" procesory

"Moore ACT" je od roku 2016 neplatný. To oficiálne oznámila najväčší výrobca procesorov Intel. Pochybnosť Výpočtová energia 100% Každé dva roky Chipames už nie sú schopné.

A teraz výrobcovia procesorov majú niekoľko nízkych možností zamestnania.

Prvá možnosť - Quantum Computers. Pokusy o vytvorenie počítača, ktorý používa informácie o častice na prezentáciu informácií. Existuje niekoľko podobných kvantových zariadení na svete, ale sú schopní vyrovnať sa len s algoritmami malých zložitosti.

Okrem toho, sériové spustenie takýchto zariadení v nasledujúcich desaťročiach nemôže ísť a reč. Drahé, neefektívne a ... pomalé!

ÁNO, Kvantové počítače konzumujú oveľa menej energie ako ich moderní kolegovia, ale zároveň budú pracovať pomalšie, kým vývojári a výrobcovia komponentov neprepnete na novú technológiu.

Druhá možnosť - spracovatelia s vrstvami tranzistorov. Táto technológia bola vážne premýšľala o Intel av AMD. Namiesto jednej vrstvy tranzistorov plánujete používať niekoľko. Zdá sa, že v najbližších rokoch sa spracovatelia môžu objaviť, v ktorých bude dôležitá nielen počet jadier a frekvencie hodín, ale aj počet tranzistorových vrstiev.

Rozhodnutie je dosť oprávnené na život, a tak monopolisti sa podarí v dojení spotrebiteľov pár desiatok rokov, ale nakoniec technológia opäť posilní strop.

Dnes, pochopenie rýchleho rozvoja architektúry ARM, Intel držal tiché oznámenie hranolov rodiny ľadového jazera. Spracovatelia budú vyrobené na technologickom procese 10-nanometrom a budú základom pre smartfóny, tablety a mobilné zariadenia. Ale to sa stane v roku 2019.

9. BUDÚCNOSŤ PRE ARM

Architektúra X86 sa teda objavila v roku 1978 a odkazuje na typ CACKO platformy. Tí. Sám preberá prítomnosť inštrukcií pre všetky príležitosti. Univerzálnosť - hlavný kôň x86.

Ale zároveň všestrannosť hral s týmito procesormi a zlým vtipom. X86 má niekoľko kľúčových nedostatkov:

• zložitosť tímov a úprimne zmätok;
• vysoká spotreba energie a vydanie tepla.

Za vysoký výkon Musel som rozlúčiť s energetickou účinnosťou. Okrem toho dve spoločnosti pracujú na architektúre X86, ktoré možno bezpečne pripísať monopolistom. Toto je Intel a AMD. Iba môžu produkovať procesory X86, a preto vládnú len technológiám.

V rovnakej dobe, vývoj ramena (Rizikový stroj Arcon) sa zaoberá niekoľkými spoločnosťami. V roku 1985 sa vývojári vybrali platformu RISC pre ďalší rozvoj architektúry.

Na rozdiel od CACK, RISC zahŕňa vývoj procesora s minimálnym potrebným počtom príkazov, ale maximálnu optimalizáciu. RISC procesory sú oveľa menej CISC, energeticky efektívnejšie a jednoduché.

Okrem toho, rameno bolo pôvodne vytvorené výlučne ako konkurent X86. Vývojári stanovili úlohu na vybudovanie architektúry, efektívnejšie ako X86.

Vzhľadom k tomu, 40s, inžinieri pochopili, že jedna z prioritných úloh zostáva práca na znížení rozmerov počítačov, a po prvé, samotné procesory. Ale takmer takmer 80 rokov by si niekto mohol predpokladať, že plnohodnotný počítač bude menší ako zápas.

Architektúra ramena naraz podporovala Apple, prevádzkuje produkciu spoločnosti Newton tabliet založenej na rodine procesorov ARM6 ARM.

Predaj stacionárnych počítačov rýchlo klesá, zatiaľ čo počet každoročne implementovaných mobilných zariadení je už vypočítané miliardy. Často, okrem výkonu, pri výbere elektronického gadgetu, má záujem o niekoľko ďalších kritérií:

• mobilita;
• autonómia.

x86 Architektúra je silná vo výkone, ale stojí za to, aby ste sa opustili aktívnemu chladenie, pretože silný procesor sa zdajú patetický na pozadí Architektúry ARM.

10. Prečo rameno je nesporným vodcom

Je nepravdepodobné, že budete prekvapení, že váš smartphone, či už ide o jednoduchú androidnú alebo vlajkovú loď Apple 2016 v desiatok časoch silnejšie plnohodnotné počítače Epochy koncom 90. rokov.

Ale koľko je ten istý iPhone?

Porovnanie dvoch rôznych architektúr je samo o sebe veľmi zložitá vec. Merania tu môžu byť vykonané len približne, ale pochopiť, že obrovská výhoda, ktorá poskytuje procesory smartfónu postavené na architektúre Arm.

Univerzálny asistent v takejto otázke - umelý test výkonnosti Geekbench. Nástroj je k dispozícii na pevných linkách počítačoch aj na platformách Android a iOS.

Stredná a počiatočná trieda notebookov jasne zaostáva za výkonom iPhone 7. V hornom segmente je všetko komplikovanejšie, ale v roku 2017 Apple uvoľní iPhone X na novom bionicich.

Tam, už známe vám ARM ARCHITECTÚRA, ale ukazovatele v Geekbench sa zvýšili takmer dvakrát. Notebooky z "Vyššie echelon" dotiahnuté.

Ale prešiel len jeden rok.

Rozvoj ramena je sedem míľ. Kým Intel a AMD Rok po roku ukazujú 5 - 10% rast produktivity, za rovnaké obdobie, výrobcovia smartfónov podarí zvýšiť výkon procesorov v dvoch - dva a pol krát.

Skeptickí pre užívateľov, ktorí prejdejú cez vrchnú čiaru Geekbensko, len chcú spomenúť: V mobilných technológiách, veľkosť je to, čo je primárne dôležité.

Nastavte na stôl monobloku s výkonným 18-jadrovým procesorom, ktorý "v kúsok rozbije architektúru ramena", a potom dajte iPhone. Cítite rozdiel?

11. Namiesto odstúpenia

Nie je možné vzbudiť 80-ročnú históriu vývoja počítačov v jednom materiáli. Ale po prečítaní tohto článku, môžete pochopiť, ako je usporiadaný hlavný prvok akéhokoľvek počítača - procesor a čo stojí za to čakať na trh v nasledujúcich rokoch.

Samozrejme, Intel a AMD budú pracovať na ďalšom zvýšení počtu tranzistorov na jednom kryštále a podporovať myšlienku viacvrstvových prvkov.

Ale potrebujete takáto silu ako kupujúci?

Je nepravdepodobné, že nie ste spokojní s výkonom iPad Pro alebo Flagship Iphone X. Nemyslím si, že ste nespokojní s výkonom viactinkovača nachádzajúceho sa v kuchyni alebo obraze 65-palcovej televízie 4k. Ale vo všetkých týchto zariadeniach sa používajú procesory na architektúre ARM.

Windows už oficiálne uviedol, že sa pozrie v smere ramena so záujmom. Podpora tejto architektúry Spoločnosť zaradila do Windows 8.1 a teraz aktívne pracuje na tandeme s špičkou Arm-Chipmaker.

Arm sa podarilo vidieť Google - operačný systém Chrome operačný systém podporuje túto architektúru. Naraz sa objavilo niekoľko distribúcií Linuxu, ktoré sú tiež kompatibilné s touto architektúrou. A to je len začiatok.

A len sa snažte prezentovať na minútu, ako príjemné bude kombinácia energeticky efektívneho procesora ramena s grafénu batérie. Je to táto architektúra, ktorá bude robiť mobilné ergonomické gadgets, ktoré budú môcť diktovať budúcnosť.

4.50 z 5, hodnotené: 24 )

Teraz je plná informácií na internete na tému procesorov, môžete nájsť veľa článkov o tom, ako to funguje, kde registre, taktisti, prerušenia, atď. Sú hlavne uvedené hlavne ... ale osoba nie je známa So všetkými týmito podmienkami a koncepciami je dosť ťažké. Fly "pochopiť proces porozumenia, a musíte začať s malým - konkrétne z základného porozumenia ako je procesor usporiadaný a z ktorých hlavných častí sa skladá.

Takže, čo bude vo vnútri mikroprocesora, ak rozoberte:

obrázok 1 je označený kovovým povrchom (kryt) mikroprocesora, ktorý slúži na odstránenie tepla a chrániť pred mechanickým poškodením, ktoré je za týmto vekom (jesť vo vnútri samotného procesora).

Na číslo 2 - samotný Crystal sa nachádza na skutočnosti, ktorá je najdôležitejšia a drahšia pri výrobe časti mikroprocesora. To je vďaka tomuto krištáľu, že sa vyskytujú všetky výpočty (a to je hlavná funkcia procesora) a čo je ťažšie ako dokonalé - tým silnejší je procesor získaný a drahšie. Krištáľ je vyrobený z kremíka. V skutočnosti je výrobný proces veľmi zložitý a obsahuje desiatky krokov, viac v tomto videu:

Obrázok 3 je špeciálny textolitový substrát, na ktorý sú pripojené všetky ostatné časti procesora, okrem toho zohráva úlohu kontaktného miesta - na svojej zadnej strane je veľký počet zlatých "bodov" - to je trochu viditeľné na obrázku). Vďaka stránke kontaktu (substrát) je zaistená úzka interakcia s kryštálom, pretože priamo aspoň nejakým spôsobom ovplyvňuje kryštál.

Veko (1) je pripojené k substrátu (3) s použitím lepidla odolnej voči teplostným. Medzi kryštálom (2) a vekom nie je žiadny vzduchový priepasť, jeho miesto je obsadené tepelnou pastou, keď z neho zmrazí, ukazuje "most" medzi kryštálom procesora a veka, ktorý zaisťuje veľmi Dobrý výtok tepla.

Kryštál je pripojený k substrátu s použitím spájkovania a tesniacej látky, substrátové kontakty sú pripojené k kryštálovej kontakte. Na tomto obrázku sa jasne zobrazuje ako pripojenie kontaktov kryštálu s kontaktmi substrátu s použitím veľmi tenkého zapojenia (vo fotografii 170x zvýšenie):

Všeobecne platí, že zariadenie procesora rôznych výrobcov a dokonca aj modelov jedného výrobcu sa môže veľmi líšiť. ale schematický systém Práca zostáva rovnaká - každý má kontaktný substrát, kryštál (alebo niekoľko, umiestnený v jednom prípade) a kovový kryt na odstránenie tepla.

Takže kontaktný substrát procesora Intel Pentium 4 (procesor sa otočí):

Forma kontaktov a štruktúra ich umiestnenia závisí od procesora a základná doska Počítač (zásuvky sa musia zhodovať). Napríklad na obrázku tesne nad kontaktmi z procesora bez "kolíkov", keďže kolíky sú priamo v zásuvke základnej dosky.

A druhá situácia je miesto, kde "piny" kontakty držia priamo z kontaktného substrátu. Táto funkcia je charakteristická najmä pre procesory AMD:

Ako je uvedené vyššie, zariadenie rôznych modelov procesorov jedného výrobcu sa môže líšiť, pred nami je svetlý príklad - štvorkolový procesor Intel Core 2 Quad procesor, ktorý je v podstate 2 dvojjadrový procesor Core 2 DUO Line v kombinácii Jeden prípad:

DÔLEŽITÉ! Počet kryštálov v procesore a počet procesorových jadier nie je rovnaký.

V moderných modeloch procesorov Intel sú 2 kryštály (čip) vhodné naraz. Druhý čip je grafickým jadrom procesora, v podstate hrá úlohu zabudovanú do procesora pre grafickú kartu, aj keď nie je v systéme žiadna grafická karta, grafické jadro bude mať úlohu grafickej karty a pomerne silnú ( V niektorých modeloch procesorov, výpočtový výkon grafické jadrá Umožňuje hrať B. moderné hry Na stredných grafických nastaveniach).

To je všetko zariadenie centrálneho mikroprocesoraStručne samozrejme.

Zariadenie a princíp procesora

Procesor je základné počítačové zariadenie, ktoré vykonáva logické a aritmetické operácie a ovládanie všetkých komponentov počítača. Procesor je miniatúrna tenká kremíková rovina pravouhlého tvaru, ktorá hostí obrovské množstvo tranzistorov, ktoré implementujú všetky funkcie vykonávané procesorom. Flintový štítok je veľmi krehký, a pretože jeho poškodenie povedie k poruche procesora, je umiestnený v plastovom alebo keramickom puzdre.

1. Úvod.

Moderný procesor je komplexné a high-tech zariadenie, ktoré zahŕňa všetky najnovšie úspechy v oblasti výpočtovej techniky a súvisiacich oblastí vedy.

Väčšina moderných procesorov sa skladá z:

• jeden alebo viac jadier vykonávajúcich všetky pokyny;
• niekoľko úrovní Kesh-pamäte (zvyčajne 2 alebo tri úrovne) urýchľuje interakciu procesora s RAM;
• ram regulátor;
• regulátor systému pneumatík (DMI, QPI, HT, atď.);

A charakterizované nasledujúcimi parametrami:

• typ mikroarchitesecture;
• frekvencia hodín;
• vykonaná sada vykonaných príkazov;
• počet úrovní vyrovnávacej pamäte a ich objem;
• typ a rýchlosť systémovej pneumatiky;
• rozmery ošetrených slov;
• prítomnosť alebo neprítomnosť vstavaného regulátora pamäte;
• podporovaný typ náhodný vstup do pamäťe;
• množstvo adresovateľnej pamäte;
• prítomnosť alebo neprítomnosť vstavaného grafického jadra;
• spotreba energie.

Zjednodušený štrukturálny diagram moderného viacjadrového procesora je prezentovaný na obrázku 1.

Začnime prehľad o zariadení procesora z hlavnej časti - jadra.

2. Kód procesora.

Jadrom procesora je jeho hlavná časť obsahujúca všetky funkčné bloky a vykonávanie všetkých logických a aritmetických operácií.

Obrázok 1 zobrazuje konštrukčnú schému zariadenia jadra procesora. Ako je možné vidieť na obrázku, každé procesorové jadro sa skladá z niekoľkých funkčných blokov:

• blok odberu vzoriek;
• pokyny dekódovacie bloky;
• bloky odberu vzoriek údajov;
• kontrolná jednotka;
• pOKROČENIE POUŽÍVAŤ BLOKY;
• bloky údržby výsledkov;
• blok práce s prerušením;
• Mikrokód obsahujúci ROM;
• súbor registrov;
• command Counter.

Návod na odber vzoriek Vykonáva pokyny na adresu zadanú v príkazovom merači. Zvyčajne číta niekoľko inštrukcií na hodiny. Počet čitateľných pokynov je spôsobený počtom dekódovacích blokov, pretože je potrebné na každom pracovnom čase načítať dekódovacie bloky. S cieľom optimálne fungovať inštrukčnú vzorovú jednotku optimálne existuje prechodný prediktor v jadre procesora.

Prechody predikteru Pokusy o určenie, ktoré poradové velenie bude vykonané po prechode. To je nevyhnutné, aby po podmienenom prechode na maximalizáciu dopravníka procesora jadra.

Dekódovacie blokyZ názvu je jasné - to sú bloky, ktoré sa zaoberajú dekódovaním inštrukcií, t.j. Určite to, čo je potrebné urobiť procesor, a aké ďalšie údaje sú potrebné na vykonanie pokynov. Táto úloha pre väčšinu moderných komerčných procesorov postavených na základe koncepcie CACK je veľmi komplikovaná. Faktom je, že dĺžka pokynov a počet operandov sú nepevnené, a to výrazne komplikuje život vývojárov procesora a robí proces dekódovania non-triviálnej úlohy.

Individuálne komplexné tímy musia byť často nahradené sériou mikrokód jednoduché pokyny, v agregáte, ktorý vykonáva rovnakú akciu ako jeden komplexný pokyn. Set mikrokód je prešívaný do ROM vloženého do procesora. Okrem toho mikrokód zjednodušuje vývoj procesora, pretože potreba zmizne pri vytváraní náročných blokov jadra vykonávať jednotlivé príkazy, a je oveľa jednoduchšie opraviť mikrokód, ako odstrániť chybu vo funkcii bloku.

V moderných procesoroch, zvyčajne 2-4 blokových dekódovacích blokov, napríklad v procesoroch Intel Core 2, každé jadro obsahuje dve takéto bloky.

Bloky odberu vzoriek údajov Riešiť údaje z vyrovnávacej pamäte alebo RAM potrebnej na vykonanie aktuálnych pokynov. Každý procesorový jadro obsahuje niekoľko blokov odberu vzoriek údajov. Napríklad v procesoroch Intel Core sa používa dva dátové vzorkovanie blok pre každé jadro.

Riadiaci blok Na základe dekódovaných pokynov spravuje prevádzku jednotiek vykonávania inštrukcií, distribuuje zaťaženie medzi nimi, poskytuje včasné a správne vykonanie pokynov. Toto je jeden z najdôležitejších blokov jadra procesora.

Návod na vykonávanie blokov Zahrnúť niekoľko rôznych typov typov:

ALU je aritmetické logické zariadenie;

FPU je zariadenie na vykonávanie operácií plávajúceho bodu;

Bloky na spracovanie inštrukcií nastaví rozšírenie. Ďalšie pokyny sa používajú na urýchlenie spracovania, šifrovania a dešifrovania dát, kódovania videa a tak ďalej. Na tento účel sa zavádzajú dodatočné registre a logické súbory do jadra procesu. V súčasnosti sú najobľúbenejšie rozšírenia návodu na nastavenia:

MMX (multimediálne rozšírenia) - súbor inštrukcií vyvinutý spoločnosťou Intel urýchliť kódovanie a dekódovanie audio a video dát;

SSE (Streaming SIMD rozšírenia) - súbor pokynov vyvinutý spoločnosťou Intel vykonať rovnakú sekvenciu operácií pred viacnásobnými dátami paralelnými počítačový proces. Príkazové súbory sa neustále zlepšujú, a v súčasnosti existujú revízie: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Cielený urýchľovač) je súbor pokynov vyvinutých spoločnosťou Intel urýchliť prácu špecializovaného softvéru a zníženie spotreby energie pri práci s takýmto programom. Tieto pokyny môžu byť použité napríklad pri výpočte kontrolného súčtu alebo vyhľadávania údajov;

3dnow je súbor pokynov vyvinutých spoločnosťou AMD rozšíriť možnosti inštrukcií MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) je súbor inštrukcií vyvinutými spoločnosťou Intel urýchliť aplikácie, ktoré používajú šifrovanie dát v rovnakom algoritme.

Block Uložiť výsledky Poskytuje záznam o výsledku vykonania inštrukcie v RAM na adresu uvedenú v spracovanom návode.

Blokovanie práce s prerušeniami. Práca s prerušením je jednou z najdôležitejších úloh procesora, ktorý umožňuje včas reagovať na udalosti, aby ste prerušili priebeh programu a vykonali od neho požadované akcie. Vzhľadom na prítomnosť prerušení je procesor schopný pseudo-paralelnej práce, t.j. na tzv. Multitasking.

Prerušenie spracovania nastáva nasledovne. Procesor pred začiatkom každého cyklu práce kontroluje prítomnosť žiadosti o prerušenie. Ak existuje prerušenie na spracovanie, procesor uloží adresu pokynu, že by sa mal vykonať na stohu a údaje získané po vykonaní poslednej inštrukcie a pokračuje vykonať funkciu spracovania prerušenia.

Po dokončení funkcie spracovania prerušenia sa údaje uložené na ňu prečítajú z zásobníka a procesor obnoví vykonanie obnovenej úlohy.

Registry - UltraFAST RAM (prístup k registrom niekoľkokrát rýchlejšie ako prístup k vyrovnávacej pamäti) malého množstva (niekoľko stoviek bajtov), \u200b\u200bktorý je súčasťou procesora, na dočasné uskladnenie medziskladov podľa pokynov. Registre procesora sú rozdelené do dvoch typov: Univerzálne registre a špeciálne registre.

Pri vykonávaní aritmetiky a logické operáciealebo špecifické operácie ďalších súborov inštrukcií (MMX, SSE, atď.).

Zaregistrovatelia špeciálnych účelov obsahujú systémové údaje potrebné na operáciu procesora. Takéto registre zahŕňajú napríklad registre riadenia, systémové adresy, registre debugov atď. Prístup k týmto registrom je pevne regulovaný.

Meter - Register obsahujúci adresu tímu, ktorú procesor začne vykonávať na nasledujúcich pracovných hodinách.

2.1 Princíp činnosti jadra procesora.

Princíp jadra procesora je založený na cykle, ktorý opísal John Von Neumanan v roku 1946. V zjednodušenej forme môžu byť stupne prevádzkového cyklu procesora jadra predstavovať nasledovne:

1. Jednotka ukážky inštrukcie kontroluje prítomnosť prerušení. Ak existuje prerušenie, potom sú údaje registrov a merač príkazu zaznamenané v zásobníku a príkaz príkazu prerušenia je zadaný do počítadla príkazu. Na konci prevádzky funkcie rušnice prerušenie sa obnovia údaje z zásobníka;

2. Blok odberu vzoriek pokynov z počítadla príkazu číta adresu príkazu určeného na vykonanie. Na tejto adrese z cache alebo RAM sa čítať tím. Získané údaje sa prenášajú do dekódovacej jednotky;

3. Uznávanie dekódovania príkazu dešifruje príkaz, ak je to potrebné, pomocou mikrokódu zaznamenaného v interpretácii ROM. Ak je to príkaz prechod, adresa prechodu sa zaznamenáva v počítači príkazu a riadenie sa prenáša do inštrukčnej vzorkovej jednotky (odsek 1), inak sa complikačným počítam zvýši na veľkosť príkazu (pre procesor s dlhým príkazom 32 - o 4) a transfers kontroly na jednotku odberu vzoriek údajov;

4. Jednotka odberu vzoriek údajov znie z vyrovnávacej pamäte alebo pamäte RAM požadovanej na vykonanie údajov a prenáša riadenie plánovača;

5. Riadiaca jednotka určuje, ktorá jednotka vykonávania bloku na spracovanie aktuálnej úlohy a prenáša kontroly tohto bloku;

6. Jednotky vykonávania pokynov vykonajte požadovaný príkaz akcie a prenášajú kontrolu nad blokmi výsledkov;

7. Ak potrebujete ušetriť výsledky v pamäte RAM, výsledky výsledkov výsledkov vykonávajú platnosť potrebnú na tento účel a prenáša kontrolu nad inštrukciou vzorkovacej jednotky (odsek 1).

Vyššie opísaný cyklus sa nazýva proces (čo je dôvod, prečo sa procesor nazýva procesor). Sekvencia vykonaných príkazov sa nazýva program.

Miera prechodu z jednej fázy cyklu do druhého je určená hodinovými frekvenciou procesora a prevádzkový čas každej fázy cyklu a čas strávený na úplnom vykonaní jedného inštrukcie je určený zariadením z procesorového jadra.

2.2. Metódy na zlepšenie výkonu jadra procesora.

Zvýšenie výkonu jadra procesora, v dôsledku zvýšenia frekvencie hodín, má tuhé obmedzenie. Zvýšenie frekvencie hodín znamená zvýšenie teploty procesora, spotreby energie a zníženie stability jeho prevádzky a životnosti.

Preto vývojári procesora aplikujú rôzne architektonické riešenia, ktoré vám umožňujú zvýšiť výkon procesora bez zvýšenia frekvencie hodín.

Zvážte hlavné spôsoby, ako zvýšiť výkon procesorov.

2.2.1. Dopravník.

Každá inštrukcia vykonávaná procesorom konzistentne prechádza všetkými blokmi jadra, z ktorých každý z nich robí vlastnú časť akcií potrebných na splnenie pokynov. Ak začnete spracovanie nová inštrukcia Až po ukončení práce na prvom pokynoch, väčšina blokov jadra procesora v každom okamihu času bude jednoducho stáť, a preto sa možnosti procesora nepoužijú úplne.

Zvážte príklad, v ktorom procesor vykoná program pozostávajúci z piatich inštrukcií (K1-K5), bez použitia princípu dopravného konania. Ak chcete zjednodušiť príklad, vezmeme si, že každý blok jadra procesora vykonáva pokyny pre 1 takt.

Ako je možné vidieť z tabuľky, na vykonanie piatich pokynov, procesor potreboval 25 hodín. V rovnakej dobe, v každom hodinách, štyri z piatich blokov jadra procesora boli jednoduché, t.j. Procesor použil len 20% svojho potenciálu. Prirodzene, v reálnych procesoroch je komplikovanejšie. Rôzne bloky procesorov riešia rôzne úlohy. Pokyny sa od seba tiež odlišujú v ťažkostiach. Všeobecne však situácia zostáva rovnaká.

Ak chcete vyriešiť tento problém vo všetkých moderných procesoroch, vykonávanie pokynov je postavený na princípe dopravníka, to znamená, že jadro bloky sú uvoľnené, sú načítané nasledovným inštrukciou, bez čakania, kým nebude plne vykonaný predchádzajúci pokyn.

Zvážte príklad vykonania rovnakého programu pozostávajúceho z piatich inštrukcií, ale pomocou princípu dopravnej dopravy.

Rovnaký program bol vykonaný pre 9 hodín, čo je takmer 2,8 krát rýchlejšie ako pri práci bez dopravníka. Ako je možné vidieť z tabuľky, maximálne zaťaženie procesora sa získalo na 5 takt. V tomto bode sa použili všetky bloky jadra procesu. A od prvého do štvrtého TACT, vrátane dopravníka plnenie.

Vzhľadom k tomu, procesor vykonáva príkazy nepretržite, v ideálnom prípade môže byť zaneprázdnený na 100%, pričom dlhší dopravník by bol, tým väčší by sa získal zisk výkonnosti. Ale v praxi to nie je.

Po prvé, skutočný tok príkazov spracovaných spracovateľom je nekonzistentný. Často spĺňa prechody. Zároveň, zatiaľ čo príkaz na podmienečnom prechode nie je úplne spracovaný, dopravník nebude môcť začať vykonávať nový tím, pretože nevie, ako sa nachádza.

Po podmienenom prechode musí byť dopravník opäť naplnený. A čím dlhšie je dopravník, tým dlhšie sa deje. Výsledkom je, že zvýšenie produktivity zo zavedenia dopravníka sa znižuje.

Aby sa znížil účinok podmienených prechodov na prácu dopravníka, predpovedané bloky podmienených prechodov sa zavádzajú do jadra procesora. Hlavnou úlohou týchto blokov je určiť, kedy sa vykoná podmienený prechod a ktoré príkazy budú dokončené po podmienenom prechode.

Ak sa podmienený prechod podarilo predpovedať, vykonanie pokynov pre novú adresu začína skôr, než je spracovanie príkazu podmieneného prechodu. Výsledkom je, že náplň dopravníka netrpí.

Podľa štatistík, presnosť predikčných blokov podmienených prechodov v moderných procesoroch presahuje 90%, čo vám umožní robiť dostatok dlhých, ale zároveň dobre naplnené dopravníkom.

Po druhé, často spracované pokyny sú vzájomne prepojené, to znamená, že jeden z pokynov si vyžaduje počiatočné údaje o výsledku vykonania inej inštrukcie.

V tomto prípade sa dá dokončiť len po úplnom ukončení spracovania prvej inštrukcie. Moderné spracovatelia však môžu analyzovať kód pre niekoľko pokynov dopredu a napríklad paralelne s prvou inštrukciou, spracujte tretiu inštrukciu, ktorá nezávisí od prvých dvoch.

Vo väčšine moderných procesorov, úloha analýzy prepojenia pokynov a prípravu ich spracovania spadá na ramená procesora, čo nevyhnutne vedie k zníženiu jeho rýchlosti a zvýšiť jeho náklady.

Statické plánovanie sa však stále viac populárne, keď je postup vykonávania programu na procesor určený na fáze kompilácie programu. V tomto prípade sa pokyny, ktoré možno vykonať paralelne, sú kombinované s kompilátorom do jedného dlhého príkazu, v ktorom sú všetky pokyny zjavne paralelné. Spracovatelia pracujúce s takýmito pokynmi sú postavené na základe architektúry VILW (veľmi dlhé inštrukčné slovo).

2.2.2. Supervalignosť.

Supravnálita - architektúra výpočtovej jadrá, na ktorej najviac načítané bloky môžu zadať niekoľko kópií. Napríklad v procesorovom jadre môže inštrukčná vzorkovacia jednotka okamžite načítať niekoľko dekódovacích blokov naraz.

V tomto prípade bloky, ktoré vykonávajú zložitejšie akcie a pracujú dlhšie, vzhľadom na paralelné spracovanie niekoľkých inštrukcií naraz, nebudú oneskoriť celý dopravník.

Paralelné vykonanie pokynov je však možné len vtedy, ak sú tieto pokyny nezávislé.

Štrukturálna schéma jadra dopravníka hypotetického procesora, vybudovaného s použitím princípu supervaligity, je znázornená na obrázku 1. Na tomto obrázku niekoľko dekódovacích blokov, niekoľko blokov odberu vzoriek dát a niekoľko inštrukčných blokových blokov pracuje v každom procesore jadra.

2.2.3. Paralelné spracovanie údajov.

Nekonečne zlepšuje výkon procesora, vďaka zvýšeniu frekvencie hodín, je to nemožné. Zvýšenie frekvencie hodín znamená zvýšenie tepelného rozptylu, zníženie životnosti a spoľahlivosti procesorov a oneskorenie v príhode na pamäť výrazne znižuje účinok zvýšenia frekvencie hodín. V skutočnosti, teraz sa prakticky nespĺňa procesory s hodinovou frekvenciou nad 3,8 GHz.

Súvisí so zvýšením frekvencie hodín problému spôsobujú, že vývojári hľadajú ďalšie spôsoby, ako zlepšiť výkon procesora. Jedným z najobľúbenejších spôsobov je paralelný výpočet.

Prevažná väčšina moderných procesorov má dve alebo viac jadier. Najlepšie modely môžu obsahovať 8 a dokonca aj 12 jadier a s podporou technológie hyper-závitov. Výhody vstupu ďalších jadier sú veľmi zrozumiteľné, prakticky sme získali niekoľko procesorov, ktoré môžu nezávisle vyriešiť každú z ich úloh a prirodzene sa zvyšuje produktivita. Rast produktivity však vždy neodôvodňuje očakávania.

Po prvé, nie všetky programy podporujú distribúciu výpočtov pre niekoľko jadier. Samozrejme, že je možné rozdeliť program medzi jadrami, aby každý jadro pracoval ako súbor nezávislých programov. Napríklad operačný systém so súborom servisných programov pracuje na rovnakom jadre a používateľských programoch a tak ďalej.

Ale poskytuje zisk výkonu, kým program nevyžaduje zdroje viac ako jedno jadro. No, ak podporuje distribúciu zaťaženia medzi niekoľkými jadrámi. Ale v súčasnosti existujú verejne dostupné programy, ktoré môžu distribuovať zaťaženie medzi 12 jadrami, a dokonca aj v režime Hyper-Threading, môžete "počítať na prstoch jednej ruky." Ja, samozrejme, preháňanie, existujú programy optimalizované pre viacvláknové výpočty, ale väčšina jednoduchých používateľov nie je potrebná. Ale najobľúbenejšie programy, a najmä hra, zatiaľ "zle" prispôsobiť viacjadrovým procesorom, najmä ak je počet jadier väčší ako štyri.

Po druhé, práca je komplikovaná pamäťou, pretože jadrá sú veľa, a všetci potrebujú prístup k RAM. Vyžaduje sa komplexný mechanizmus, ktorý definuje poradie prístupu jadra procesora do pamäte a na iné počítačové zdroje.

Po tretie, zvyšuje sa spotreba energie, a preto sa zvyšuje výroba tepla a vyžaduje sa silný chladiaci systém.

No, štvrté, náklady na výrobu viacjadrových procesorov je pomerne veľké, a preto cena takýchto spracovateľov "uhryznutie".

Napriek všetkým nevýhodám, použitie procesorov s 2-4 jadrami nepochybne poskytuje výrazný nárast produktivity. V súčasnosti však používanie procesorov s počtom jadier viac ako štyri vždy neodôvodňuje čakanie. V blízkej budúcnosti sa však situácia musí dramaticky zmeniť. Určite má mnoho programov s podporou pre multithreading, výkon jednotlivých jadier sa zvýši a ich cena sa zníži.

2.2.4. Technológia Hyper-Threading.

Technológia Intel Hyper-Threading umožňuje každému procesorovému jadru vykonávať dve úlohy v rovnakom čase, v skutočnosti, takže dve virtuálne z jedného skutočného jadra. To je možné z dôvodu skutočnosti, že v takýchto jadrách je stav dvoch prúdov naraz, pretože jadro má svoj vlastný súbor registrov, jeho príkazového počítadla a vlastného blokovacieho bloku pre každý prúd. V dôsledku toho operačný systém vidí takéto jadro ako dve oddelené jadrá, a bude s nimi pracovať rovnakým spôsobom, ako by to fungovalo s DUID procesorom.

Zostávajúce prvky jadra pre obe toky sú však spoločné a sú medzi nimi rozdelené. Okrem toho, keď z akéhokoľvek dôvodu jeden z prúdov uvoľňuje dopravné prvky, iný prúd používa bezplatné bloky.

Dopravné prvky nemusia byť zapojené, ak sa napríklad vyskytli pri prístupe do pamäte vyrovnávacej pamäte, a je potrebné si prečítať údaje z pamäte RAM, alebo je potrebné, aby bol prechod nesprávne predpovedaný, alebo sa očakávajú výsledky spracovania Súčasné pokyny Alebo niektoré bloky sa počas spracovania tohto pokynu nepoužívajú, atď.

Väčšina programov nemôže plne naložiť procesor, pretože niektorí používajú najmä jednoduché celistkové výpočty, prakticky necyklovacím blokom FPU. Ostatné programy, ako napríklad 3D Studio, vyžadujú hmotnosť výpočtov pomocou čísel plávajúceho bodu, ale zároveň uvoľní niektoré ďalšie výkonné bloky a tak ďalej.

Okrem toho, takmer všetky programy - mnoho podmieňovacích prechodov a závislých premenných. Výsledkom je, že použitie technológie hyper-threading môže poskytnúť významný zisk výkonnosti, ktorý uľahčuje maximálne zaťaženie dopravníka jadra.

Ale nie všetko je tak jednoduché. Prirodzene, rast produktivity bude menší ako z používania viacerých fyzických jadier, pretože stále prúdy používajú všeobecné bloky jedného dopravníka a sú často nútené čakať na uvoľnenie požadovaného bloku. Okrem toho, väčšina procesorov už má niekoľko fyzických jadier, a pri používaní technológie Hyper-Threading, virtuálne jadrá môžu stať príliš veľa, najmä ak procesor obsahuje štyri a viac fyzických jadier.

Vzhľadom k tomu, momentálne programy, ktoré môžu distribuovať výpočty pre veľký počet jadier, sú extrémne malé, potom v tomto prípade môže výsledok sklamať používateľov.

Existuje ďalší vážny problém technológie hyper-threading - to sú konflikty, ktoré vznikajú, keď pokyny rôznych vlákien potrebujú rovnaké bloky. Môže existovať situácia, keď dva podobné prúdy budú fungovať paralelne, často používajú rovnaké bloky. V tomto prípade bude zvýšenie výkonu minimálne.

Výsledkom je, že technológia hyper-threading je veľmi závislá od typu zaťaženia procesora a môže poskytnúť dobrý nárast výkonnosti a môže byť prakticky k ničomu.

2.2.5. Technológia Turbo Boost.

Produktivita najmodernejších procesorov doma môže byť trochu zdvihnutá, jednoducho povedzte rozptýlenie - aby to fungovalo na frekvenciách presahujúcich nominálne, t.j. Vyhlásený výrobcom.

Frekvencia procesora sa vypočíta ako frekvencia systémovej pneumatiky vynásobenej určitým koeficientom nazývaným faktorom. Napríklad procesor I7-970 pracuje s DMI systémovým zbernicou na základnej frekvencii - 133 MHz, a má multiplikátor - 24. Takže hodinová frekvencia jadra procesora bude: 133 MHz * 24 \u003d 3192 MHz.

Ak je nastavenia systému BIOS Zvýšte multiplikátor alebo zvýšiť hodinovú frekvenciu systémovej zbernice, potom sa zvýši frekvencia hodinových procesorov, a preto sa jej výkon zvýši. Tento proces je však dostatočne ďaleko. V dôsledku pretaktovania môže procesor pracovať nestabilný alebo všeobecne zlyhať. Preto je potrebné pristupovať k zrýchleniu a starostlivo sledovať parametre procesora.

S výhybom technológie Turbo Boost sa všetko stalo oveľa jednoduchším. Spracovatelia s touto technológiou sa môžu dynamicky dynamicky, na krátku dobu, zvýšiť frekvenciu hodín, čím sa zvyšuje výkon. V tomto prípade procesor riadi všetky parametre svojej práce: napätie, pevnosť, teplota, teplota atď., Nepovolí zlyhania a ešte viac. Procesor môže napríklad vypnúť nepoužité jadrá, čím sa znížila celková teplota a na oplátku zvýšenie frekvencie hodín iných jadier.

Vzhľadom k tomu, momentálne nie je veľa programov, ktoré používajú na spracovanie údajov jadrá procesora, Zvlášť ak je viac ako štyri, používanie technológie Turbo Boost umožňuje výrazne zvýšiť výkon procesora, najmä pri práci s jednoduchými závitovými aplikáciami.

2.2.6. Účinnosť vykonávania príkazov.

V závislosti od typov spracovaných pokynov a spôsobu ich vykonávania sa spracovatelia rozdelia do niekoľkých skupín:

• o klasických procesoroch CACKO;
• o RISC procesoroch so zníženým nastaveným príkazom;
• na rôznych procesoroch s minimálnym súborom príkazov;
• na procesoroch Vliw so súborom super dlhých príkazov.

CACK (Complex Instruction Set Computer) - Sú to spracovatelia s komplexným súborom tímov. Architektúra CACK je charakterizovaná:

• komplexné a mnohostranné pokyny;
• veľký súbor rôznych pokynov;
• nepevnené dlhodobé pokyny;
• rôzne režimy adresovania.

Najprv sa objavili najprv CACK architektúra procesorov a ich vzhľad bol spôsobený celkovým trendom vo vývoji prvého počítača. EUM sa snažil robiť funkčnejšie a zároveň jednoduché pre programovanie. Prirodzene, pre programátorov, bolo najprv vhodnejšie mať širokú sadu príkazov, ako implementovať každú funkciu s celým samostatným podprogramom. V dôsledku toho sa rozsah programov výrazne znížil a s ťažkosťou programovania.

Táto situácia však trvala dlhú dobu. Po prvé, s príchodom jazykov na vysokej úrovni, potreba priameho programovania v kódoch stroja a na assembler, a po druhé, s časom, počet rôznych príkazov sa ťažko rozrástla, a samotné pokyny komplikované. V dôsledku toho väčšina programátorov použila hlavne určitý špecifický súbor pokynov, prakticky ignorovať najkomplexnejšie pokyny.

Výsledkom je, že programátori už nemali osobitné výhody zo širokého súboru pokynov, pretože zostavenie programov sa stala automatickým a procesormi sa ošetreli komplexné a rôznorodé pokyny pomaly, najmä kvôli problémom s ich dekódovaním.

Okrem toho, nové komplexné pokyny, vývojári procesorov labouroval menej, pretože to bol časovo náročný a komplexný proces. V dôsledku toho by niektoré z nich mohli obsahovať chyby.

No, prirodzene, tým ťažšie sú pokyny, tým viac akcií, ktoré vykonávajú, tým ťažšie ich vykonávať na paralelizáciu, a preto menej efektívne vložia procesor dopravník.

Avšak, v tomto bode sa však vyvinul obrovský počet programov procesorov s Architektúrou CISC, takže to bolo ekonomicky neziskové, aby sa dostal do zásadne novej architektúry, dokonca aj zisk výkonnosti procesora.

Preto, kompromis a CACK, začínajúce s Intel486DX, začali vyrábať pomocou RISC jadra. Tí., Bezprostredne pred vykonaním, komplexné pokyny CACK sú premenené na jednoduchší súbor interných pokynov RISC. Na tento účel sa súbory mikrocovností - séria jednoduchých inštrukcií zaznamenávajú v jadre umiestnenom vo vnútri jadra, spolu vykonávajú rovnaké akcie ako jeden komplexný pokyn.

RISC (Reduction Instruction Set Computer) - procesory s skráteným množstvom pokynov.

V koncepcii procesorov RISC sa uprednostňuje krátkodobé, jednoduché a štandardizované pokyny. Výsledkom je, že takéto pokyny sú ľahšie dekódovanie a vykonávanie, a preto sa zariadenie procesora stane ako jednoduchšie, pretože nevyžaduje zložité bloky na vykonávanie neštandardných a multifunkčných pokynov. Výsledkom je, že procesor sa stáva lacnejším a je možné ďalej zvýšiť jeho hodinovú frekvenciu, zjednodušením vnútornej štruktúry a znížiť počet tranzistorov, alebo znížiť spotrebu energie.

Tiež jednoduché inštrukcie RISC sú oveľa jednoduchšie na paralelenie ako CACK pokyny, a preto sa zdá viac načítať dopravník, zadajte ďalšie zariadenia na spracovanie inštrukcií atď.

Procesory postavené pomocou RISC Architecture majú nasledujúce hlavné funkcie:

• dĺžka pevnej inštrukcie;
• malý súbor štandardizovaných pokynov;
• veľký počet univerzálnych registrov;
• absencia mikrokód;
• menej spotreby energie v porovnaní s procesormi CACK podobného výkonu;
• jednoduchšie interiérové \u200b\u200bzariadenie;
• menej tranzistorov v porovnaní s procesormi CACK podobného výkonu;
• nedostatok komplexných špecializovaných blokov v jadre procesu procesora.

V dôsledku toho, hoci procesory RISC vyžadujú väčší počet pokynov na riešenie tej istej úlohy, v porovnaní s procesormi CISS, vo všeobecnosti vykazujú vyšší výkon. Po prvé, vykonávanie jedného inštrukcie RISC trvá oveľa menej času ako vykonanie pokynov CACKU. Po druhé, procesory RISC viac široko používajú paralelnú prevádzku. Po tretie, procesory RISC môžu mať vyššiu hodnotovú frekvenciu v porovnaní s procesormi CACK.

Napriek explicitnej výhode RISC však spracovatelia nedostali takú vážnu distribúciu ako CISK. TRUE, to je hlavne kvôli tomu, že môžu byť horšie ako CISC procesory pre niektoré parametre. Nie sú horšie. Faktom je, že najprv sa objavili procesory CACK softvér Pre CACK -procesory - nekompatibilné s procesormi RISC.

V dôsledku toho je ekonomicky extrémne neotestatne pre prepísať všetky programy, ktoré už boli vyvinuté, ladenie a používané obrovským počtom užívateľov. Ukázalo sa, že teraz sme nútení používať CACK procesory. TRUE, Ako som už povedal, vývojári našli kompromisné riešenie tohto problému a veľmi dlho v CACK procesoroch používajú jadro RISC a nahradenie komplexných tímov na firmvér. To umožnilo trochu vyhladené situácie. Avšak, RISC procesory pre väčšinu parametrov výhody aj v procesoroch CACK s jadrom RISC.

Rôzne (Minimálne pokyny Nastavte počítač) – ďalší vývoj RISS architektúra na základe ešte väčšieho zjednodušenia pokynov a zníženie ich množstva. V priemere sa v rôznych procesoch používa 20-30 jednoduchých pokynov. Takýto prístup umožnil zjednodušiť zariadenie procesora ešte viac, znížiť spotrebu energie a maximalizovať možnosť paralelného spracovania údajov.

Vliw (veľmi dlhé inštrukčné slovo) - Architektúra procesora pomocou dlhoročných pokynov, ktoré obsahujú niekoľko operácií v kombinácii s kompilátorom na paralelné spracovanie. V niektorých implementáciách procesorov môže dĺžka inštrukcií dosiahnuť 128 alebo dokonca 256 bitov.

Architektúra VILW je ďalším zlepšením RISC a RISC Architektúra s hĺbkovým paralelom.

Ak samotný procesor bol zapojený do procesorov RISC v procesore RISC, pričom sa vydala časť prostriedkov na analýzu pokynov, detekciu závislostí a predpovedaním podmienených prechodov (a často by sa procesor mohol byť nesprávny, napríklad pri predpovedaní podmienených prechodov, čím sa predpokladá, výroba vážnych oneskorení pri spracovaní pokynov, alebo zobraziť programový kód na nedostatočnú hĺbku na identifikáciu nezávislých operácií, ktoré by mohli byť vykonané paralelne), potom vo Vliw procesoroch, úloha optimalizácie paralelnej operácie bola uložená na kompilátor, ktorý nebol obmedzený alebo v zdrojoch a mohli by analyzovať všetok program pre zostavenie optimálneho kódu kódu kódu.

Výsledkom je, že procesor VLIW vyhral nielen z zrušenia režijného režimu na organizáciu paralelného spracovania údajov, ale tiež dostal zvýšenie výkonu, vďaka optimálnejšej organizácii paralelného vykonávania pokynov.

Okrem toho bol zjednodušený dizajn procesu, pretože niektoré bloky, ktoré analyzujú závislosti a organizácia paralelenia spracovania inštrukcií boli zjednodušené alebo úplne zrušené, a to zase viedlo k zníženiu spotreby energie a nákladov procesorov .

Avšak aj kompilátor je ťažké vyrovnať sa s analýzou kódu a organizácii jej paralelenia. Často bol programový kód veľmi vzájomne závislý, a preto bol kompilátor v pokynoch, musel som vložiť prázdne príkazy. Kvôli tomuto programu môžu byť procesory Vliw oveľa dlhšie ako podobné programy pre tradičné architektúry.

Prvých procesorov Vliw sa objavili na konci osemdesiatych rokov a boli vyvinuté CYDROMOM. Taktiež procesory s touto architektúrou zahŕňajú procesory Trimedia spoločnosti Philips, DSP C6000 Rodina Texasových nástrojov, Elbrée? Od roku 2000 - procesor ruská výrobaVyvinutý MCST s účasťou študentov spoločnosti MiPT a inej podpory pre dlhé pokyny s zjavnou rovnobežnosťou je tiež v procesoroch rodiny Itanium.

2.3. Metódy na zníženie spotreby energie procesora.

Nie je to menší ako výkon, procesor je dôležitý a taký parameter ako spotreba energie. Zvlášť akútne vydanie spotreby energie sa teraz stalo, keď je reálny boom prenosných zariadení.

Náš život už nemôže byť pohodlný bez použitia notebookov, tabletových počítačov a smartfónov. Jediná vec, ktorá zatierala tento trend, je však čas autonómnej prevádzky takýchto zariadení. Takže notebooky, v priemere, môžu autonómne pracovať 3-5 hodín, tablety - o niečo viac, smartfóny sa už môžu natiahnuť s takmer denne a potom nie všetko. Ale to všetko je veľmi malé pre pohodlnú prácu s nimi.

Životnosť batérie týchto zariadení priamo závisí od spotreby energie a značný podiel spotreby energie je na procesore. Znížiť spotrebu energie používaných procesorov rôzne metódy a technológie. Poďme z nich najobľúbenejšie z nich.

Najjednoduchší spôsob, ako znížiť spotrebu energie a výrobu tepla procesora, je znížiť jeho hodinové frekvencie a napätie, pretože spotreba energie procesora je úmerná štvorcovi jeho prevádzkového napätia av pomere k frekvencii hodín. Najvýhodnejšie pre spotrebu energie ovplyvňuje zníženie napätia. Keď sa však napätie skráti skôr alebo neskôr, frekvencia hodín sa znižuje, čo prirodzene znamenalo zníženie výkonu.

Je však často spotreba silu kritickejšieho parametra práce a niektoré zníženie výkonu je prípustné. Tak najviac mobilné verzie Spracovatelia a spracovatelia pre vstavané systémy majú hodinovú frekvenciu a prevádzkové napätie oveľa nižšie ako ich kolegovia pre desktopové verzie.

Ale nie vždy výrobcovia nastaviť optimálnu kombináciu frekvencie napätia a hodín. Mnoho mobilné procesory So inštalovaným hodinovým frekvenciou by mohla pracovať s nižším napätím, čo by výrazne rozšírilo životnosť batérie prenosného počítača.

Ak chcete získať optimálny pomer výkonu na spotrebu energie, je potrebné zvoliť takéto napätie, pri ktorom bude procesor schopný pracovať na danej frekvencii hodín.

Frekvencia hodín je určená na základe potrieb používateľa, potom je pre ňu vybrané minimálne prevádzkové napätie tým, že postupne znižuje procesor napätia a testovania pri zaťažení.

Neexistujú také základné spôsoby, ako tento problém vyriešiť.

Napríklad technológia EIST (Enhanced Intel Speedstep Technology) Umožňuje dynamicky zmeniť spotrebu energie procesora, zmenou frekvencie hodín procesora a napätia. Zmena frekvencie hodín sa vyskytuje, znížením alebo zvýšením multiplikačného pomeru.

Už som spomenul o násobnom faktore, ale opakujem. Hodinová frekvencia procesora sa vypočíta ako hodinová frekvencia systémovej pneumatiky vynásobenej koeficientom nazývaným multiplikačným pomerom. Zníženie alebo zvýšenie tohto koeficientu vedie k zníženiu alebo zvýšeniu frekvencie hodín procesora a na zníženie alebo zvýšenie prevádzkového napätia.

V prípadoch, keď sa procesor úplne nepoužíva, jeho hodinová frekvencia sa môže znížiť znížením násobného koeficientu. Akonáhle používateľ potrebuje viac výpočtových zdrojov, pomer multiplikácie sa zvýši, až do menovitej hodnoty. Je teda možné mierne znížiť spotrebu energie.

Podobná technológia na zníženie spotreby energie na základe dynamickej zmeny napätia a frekvencie hodín v závislosti od zaťaženia procesora sa používa a spoločnosť AMD sa nazýva - COOL'N'QUIET..

V absolútnej väčšine prípadov sú počítačové stroje jednoducho jednoduché alebo používajú len podiel ich schopností. Ak chcete napríklad zobraziť film alebo súbor textu, nie sú takéto obrovské výpočtové schopnosti, ktoré majú moderné spracovatelia. Okrem toho, táto sila nie je potrebná as jednoduchým počítačom, keď sa používateľ presunul alebo sa rozhodol, že si urobil malú prestávku. Zníženie hodinovej frekvencie procesora a jeho napätia pri takýchto momentoch je možné získať veľmi vážne zvýšenie úspor energie.

Možnosti technológie EIST môžu byť nakonfigurované pomocou systému BIOS a softvéru operačného systému a nastaviť profily riadenia napájania potrebných pre konkrétny prípad, čím sa vyvažuje výkon procesora a jeho spotreby energie.

Samozrejme, že vývojári sa snažia optimalizovať samotnú štruktúru procesora, aby sa znížila spotreba energie a možnosť fungovania procesora na ultra nízke napätie. Táto úloha je však mimoriadne zložitá a časovo náročná. Skúsené vzorky procesora takmer úzko oslovili prah minimálneho prevádzkového napätia a je už ťažké rozlíšiť napätie logickej jednotky z logickej nuly. Napriek tomu, aj vývojári procesorov, vrátane inžinierov spoločnosti Intel Corporation, sľubujú zníženie spotreby energie moderných procesorov už 100 krát v nasledujúcich desiatich rokoch. No, poďme čakať a uvidíme, čo vyjde.

3. pamäť cache.

Napriek všetkým technológiám a trikám vývojárov je výkon procesora stále priamo závislý od vzorkovacej frekvencie príkazov a údajov z pamäte. A aj keď má procesor vyvážený a premyslený dopravník, používa technológiu hyper-threading a tak ďalej, ale nezabezpečuje správnu rýchlosť odberu dát a príkazov z pamäte, potom v dôsledku toho sa celkový výkon počítača nespĺňa Vaše očakávania.

Preto jedným z najdôležitejších parametrov procesorového zariadenia je pamäť vyrovnávacej pamäte určená na skrátenie času výberu a dát z hlavného RAM a vykonávanie úlohy medziľahlej vyrovnávacej pamäte rýchly prístup medzi procesorom a hlavným RAM.

Pamäť vyrovnávacej pamäte je založená na pamäti Darling SRAM (Static Random Access Memory), Poskytovanie prístupu do pamäťových buniek je oveľa rýchlejšie ako bunky DRAM-Memory (Dynamic Random Access Memory), na základe ktorej je RAM postavený. Okrem toho pamäť SRAM nevyžaduje neustálu regeneráciu, ktorá tiež zvyšuje jeho rýchlosť. Avšak, SRAM, DRAM Zariadenie a iné typy pamäte sú podrobnejšie v nasledujúcom článku, a teraz uvažujú o princípe prevádzky a zariadenia cache podrobnejšie.

Pamäť cache je rozdelená na niekoľko úrovní. V moderných procesoroch sa to zvyčajne deje tri úrovne, a v niektorých najlepších modeloch, procesory niekedy spĺňajú štyri úrovne vyrovnávacej pamäte.

Pamäť vyrovnávacej pamäte s vyššou úrovňou je vždy väčšia a pomalšia vyrovnávacia pamäť s nízkou úrovňou.

Najrýchlejšia a najmenšia pamäť cache je cache prvej úrovne. Zvyčajne pracuje na frekvencii procesora, má objem niekoľkých stoviek kilobajtov a nachádza sa v bezprostrednej blízkosti blokov odberu vzoriek údajov a príkazov. Zároveň to môže byť jednotná (Princeton Architecture) alebo rozdelená na dve časti (Architecture Harvard): na pamäť príkazov a dátovej pamäte. Väčšina moderných procesorov používa oddelené cache prvej úrovne, pretože vám umožňuje súčasne vybrať vzorku údajov, ktorá je mimoriadne dôležitá pre prevádzku potrubia.

Pamäť vyrovnávacej pamäte druhej úrovne je pomalšia (prístup prístupu, v priemere 8-20 cyklov procesorov), ale má objem niekoľkých megabajtov.

Pamäť vyrovnávacej pamäte tretej úrovne je ešte pomalšia, ale má relatívne veľký objem. Existujú spracovatelia s cache tretej úrovne viac ako 24 MB.

V procesoroch viacjadrových procesov je zvyčajne posledná úroveň pamäte vyrovnávacej pamäte jadrá. Okrem toho sa v závislosti od zaťaženia jadra dynamicky zmení hlasitosť druhej vyrovnávacej pamäte úrovne. Ak má jadro vysoké zaťaženie, prideľuje viac vyrovnávacej pamäte, znížením množstva vyrovnávacej pamäte pre menej naložené jadrá. Nie všetky spracovatelia majú takúto príležitosť, ale iba podporuje technológiu Smart Cache (napríklad Intel Smart Cache alebo AMD BALANCED SMART CAACH).

Memory s nízkou úrovňou vyrovnávacej pamäte je zvyčajne individuálna pre každé jadro procesora.

Prehodnotili sme, ako je usporiadaná pamäť cache, poďme teraz pochopiť, ako to funguje.

Procesor číta údaje z hlavného RAM a vstupuje do pamäte vyrovnávacej pamäte všetkých úrovní, náhradné údaje, ku ktorým má dlhé a najviac zriedkavo odvolanie.

Nabudúce bude procesor potrebovať tie isté údaje, nečítajú sa už z hlavnej pamäte, ale z vyrovnávacej pamäte prvej úrovne, čo je oveľa rýchlejšie. Ak sa tento procesor nezobrazí tomuto procesoru, budú postupne vyhnaní zo všetkých úrovní vyrovnávacej pamäte, najprv z prvého, pretože je to najmenší v objeme, potom z druhej a tak ďalej. Ale aj keď tieto údaje zostávajú len v tretej úrovni pamäte cache, všetky rovnaké odvolanie na ne bude rýchlejšie ako hlavná pamäť.

Avšak, tým viac úrovní pamäte vyrovnávacej pamäte, tým ťažšie je algoritmus na výmenu zastaraných údajov a dlhšie čas strávený na harmonizácii údajov vo všetkých úrovniach pamäte cache. Výsledkom je, že výhry rýchlosti pamäte vyrovnávacej pamäte rýchlo vypne. Okrem toho, SRAM pamäť je veľmi drahé, a s veľkými objemmi, a ako pamätajte, každá nová úroveň pamäte vyrovnávacej pamäte by mala byť väčšia ako predchádzajúca, indikátor cien kvality sa rýchlo znižuje, čo je mimoriadne negatívne ovplyvňuje konkurencieschopnosť procesora . Preto v praxi, viac ako štyri úrovne vyrovnávacej pamäte nerobia.

Situácia vyrovnávacej pamäte je ďalej komplikovaná v procesoroch viacjadrových procesov, ktorého jadro obsahuje svoju cache. Je potrebné zaviesť dodatočnú synchronizáciu údajov uložených v pamäti cache rôznych jadier. Napríklad rovnaký blok údajov základnej pamäte RAM bol uvedený v pamäti cache prvého a druhého jadra procesu. Potom prvý procesor zmenil tento pamäťový blok. Ukazuje sa, že druhá vyrovnávacia pamäť procesora obsahuje už zastarané údaje a musíte ich aktualizovať, a to je dodatočné zaťaženie pamäte cache, čo vedie k zníženiu celkového výkonu procesora. Táto situácia je ťažšia ako viac jadier v procesore, čím viac úrovní pamäte vyrovnávacej pamäte a viac ich hlasitosti.

Napriek takýmto ťažkostiam pri práci s pamäťou cache sa však jeho použitie poskytuje explicitné zvýšenie rýchlosti prevádzky bez výrazného zvýšenia nákladov počítača. A až kým sa RAM nestane vynájdená, ktorá bude schopná konkurovať pamäť SRAM z hľadiska rýchlosti, a za cenu - s DRAM pamäťou sa bude aplikovať hierarchickú organizáciu RAM s použitím niekoľkých úrovní pamäte cache.

Možno, na to skončíme revíziu procesorového zariadenia, pretože preskúmanie systémových pneumatík a princíp ich práce bola poskytnutá v "zariadení a vymenovaní základnej dosky", a opis hlavného RAM regulátora, často Časť procesora, typy RAM a zásady jeho práce budú v nasledujúcom článku.

Procesor je hlavným mikroobvodom počítača. Je to tiež jeden z najviac high-tech a drahých počítačových komponentov. Napriek tomu, že procesor je samostatné zariadenie, má vo svojej štruktúre veľký počet komponentov zodpovedných za konkrétnu funkciu. Aká je ich špecificita?

Procesor: funkcie zariadenia a história vzhľadu

PC komponent, ktorý je teraz zvyčajný na zavolanie centrálneho procesora, je charakterizovaný dosť zaujímavý príbeh Pôvodu. Preto, aby pochopili svoje špecifiká, bude užitočné preskúmať niektoré kľúčové fakty o vývoji jej vývoja. Zariadenie, ktoré je moderný používateľ známy ako centrálny procesor, je výsledkom mnohých rokov zlepšenia výroby výpočtových mikroobvodov.

Postupom času sa zmenila vízia inžinierov štruktúry procesorov. V počítači prvej a druhej generácie sa zodpovedajúce komponenty skladali z veľkého počtu samostatných blokov, veľmi neohreteľných na riešených úlohách. Vychádzajúc z tretej generácie počítačov, sa funkcia procesora začala zvážiť v užšom kontexte. ECM Designer inžinieri zistili, že by malo byť rozpoznávanie a interpretácia strojových príkazov, čo ich zvyšuje do registrov, ako aj riadenie iných hardvérových komponentov PC. Všetky tieto funkcie začali kombinovať v jednom zariadení.

Mikroprocesory

Ako sa počítačové vybavenie vyvíja, zariadenia nazývané "mikroprocesor" sa začali zaviesť do štruktúry PC. Jedným z prvých zariadení tohto typu bol produkt Intel 4004, vydaný American Corporation v roku 1971. Mikroprocesory na stupnici jednej štiepky v ich štruktúre funkcie, ktoré sme definovali vyššie. Moderné zariadenia v zásade pracujú na základe tej istej koncepcie. Centrálny procesor prenosného počítača, PC, tableta obsahuje vo svojej štruktúre: logické zariadenie, registre, ako aj riadiaci modul, ktorý je zodpovedný za špecifické funkcie. V praxi sa však zložky moderných mikrobustí najčastejšie prezentovali v zložitejšej agregácii. Študujeme túto funkciu viac.

Štruktúra moderných procesorov

Centrálny procesor moderného PC, notebooku alebo tabliet je reprezentovaný jadrom - teraz Norma sa usudzuje, že existuje niekoľko, vyrovnávacia pamäť na rôznych úrovniach, ako aj regulátory: RAM, systémová pneumatika. Výkon príslušného typu čipu je určený jeho kľúčovými vlastnosťami. Ktorý agregát môžu byť zastúpené?

Najvýznamnejšie charakteristiky centrálny procesor Na moderných počítačoch, ako je: typ mikroarchitesecture (zvyčajne indikovaná v nanometroch), frekvencia hodín (v Gigahertz), množstvo pamäte vyrovnávacej pamäte na každej úrovni (v megabajtoch), spotreba energie (vo wattoch), ako aj prítomnosť alebo absencia grafického modulu.

Študujeme špecifiká prevádzky niektorých kľúčových modulov centrálneho procesora. Začnime s jadrom.

Procesor

Centrálny procesor moderného PC má vždy jadro. Obsahuje kľúčové funkčné bloky čipu, ktorým vykonáva potrebné logické a aritmetické funkcie. Spravidla sú uvedené v určitom množstve prvkov. Centrálne spracovateľské zariadenie teda najčastejšie predpokladá prítomnosť blokov, ktoré sú zodpovedné za riešenie týchto úloh:

Pokyny na vzorky a dekódovanie;

Vzorka údajov;

Vykonanie pokynov;

Ukladanie výsledkov výpočtovej techniky;

Pracovať s prerušeniami.

Štruktúra zodpovedajúceho typu čipu je tiež doplnená riadiacou jednotkou, úložným zariadením, colným pultom a súborom registrov. Zvážte špecifiká práce zodpovedajúcich komponentov.

Kód procesora: Komponenty

Medzi kľúčovými blokmi v jadre centrálneho procesora je ten, ktorý je zodpovedný za návody na čítanie, ktoré sú napísané v adresári zaznamenanej v príkazovom merači. Počas jedného hodiny sa vykonáva niekoľko operácií zodpovedajúceho typu. Celkový počet pokynov, ktorý sa má čítať, je vopred určený indikátorom v dekódovacích blokoch. Hlavným princípom je tu - pre každú chvíľu sú označené komponenty maximálne stiahnuté. Aby sa zabezpečilo dodržiavanie tohto kritéria, môžu byť v štruktúre procesora prítomné pomocné hardvérové \u200b\u200bprvky.

V dekódovacej jednotke sa pokyny spracovávajú, ktoré určujú algoritmus mikroobvodov počas riešenia určitých úloh. Zabezpečenie ich fungovania je ťažká úloha, pretože mnohí IT špecialisti veria. To je splatné najmä skutočnosť, že dĺžka inštrukcie nie je vždy jasne definovaná. Moderné procesory zvyčajne zahŕňajú 2 alebo 4 bloky, v ktorých sa vykonáva vhodné dekódovanie.

Pokiaľ ide o komponenty zodpovedné za výber údajov - ich hlavnou úlohou je prijať príjem príkazov z cache alebo RAM, ktoré sú potrebné na zabezpečenie vykonávania pokynov. V jadloch moderných procesorov je zvyčajne prítomných niekoľko zodpovedajúcich typových blokov.

Kontrolné komponenty prítomné v mikroobvode sú tiež založené na dekódovaných inštrukciách. Sú určené na kontrolu práce blokov, ktoré sú zodpovedné za implementáciu pokynov, ako aj na distribúciu úloh medzi nimi, kontrolujú ich včasné vykonanie. Kontrolné komponenty sa týkajú kategórie najdôležitejších v štruktúre mikroprocesorov.

V mikrobire príslušného typu existujú aj bloky, ktoré sú zodpovedné za správne vykonanie pokynov. Vo svojej štruktúre existujú prvky, ako sú aritmetické a logické zariadenie, ako aj zložka zodpovedná za výpočet plávajúceho bodu.

Existujú bloky blokov jadier procesora, ktoré ovládajú spracovanie nastaveného rozšírenia, ktoré sú nastavené na pokyny. Tieto algoritmy, ktoré dopĺňajú hlavné príkazy, sa používajú na zvýšenie intenzity spracovania údajov, implementáciu šifrovacích postupov alebo dešifrovanie súborov. Riešenie takýchto úloh vyžaduje zavedenie do základnej štruktúry dodatočných registrov, ako aj sady inštrukcií. Moderné procesory zvyčajne zahŕňajú nasledujúce rozšírenia: MMX (určené na kódovanie audio a video súborov), SSE (aplikované pri paralelerizácii výpočtovej techniky), ATA (aktivované, aby sa urýchlilo programové práce a znížili spotrebu energie PC), 3dnow (rozšírenie multimediálnych počítačových schopností) , AES (šifrovanie údajov), ako aj mnoho ďalších noriem.

Štruktúra jadier procesora zvyčajne obsahuje aj bloky zodpovedné za ukladanie výsledkov v pamäti RAM v súlade s adresou obsiahnutou v pokynoch.

Komponent jadra je dôležitý, ktorý riadi prevádzku čipu s prerušením. Táto funkcia umožňuje, aby procesor zabezpečil stabilitu programov za multitaskovacích podmienok.

Práca centrálneho procesora je tiež spojená s zapojením registrov. Tieto komponenty sú analógom RAM, ale prístup k nim sa vykonáva niekoľkokrát rýchlejšie. Objem príslušného zdroja je malý - spravidla nepresahuje kilobajty. Registre sú klasifikované pre niekoľko odrôd. Môžu to byť komponenty na všeobecné použitie, ktoré sa používajú pri vykonávaní aritmetických alebo logických výpočtov. Existujú registre špeciálnych účelov, ktoré môžu zahŕňať systémové údaje používané procesorom počas práce.

V štruktúre jadra procesora sú prítomné aj rôzne pomocné zložky. Ktorý napríklad? To môže byť sledovanie senzora, aká je aktuálna teplota centrálneho procesora. Ak sú jeho indikátory vyššie ako zavedené normy, mikroobvod môže poslať signál na moduly zodpovedné za prevádzku fanúšikov - a začne sa otáčať rýchlejšie. K dispozícii je prediktor prechodov v štruktúre jadra - komponent, ktorý je určený na určenie, ktoré príkazy budú vykonané po ukončení určitých cyklov operácií vykonávaných mikroobvodom. Príkladom iného dôležitej zložky - príkazového počítadla. Tento modul zaznamenáva adresu zodpovedajúceho algoritmu, ktorý sa prenáša na čip v čase, ktorý má byť splnený.

Taká je štruktúra jadra, ktorá je súčasťou centrálneho procesora počítača. Teraz budeme študovať viac ako niektoré kľúčové charakteristiky príslušného typu čipu. Konkrétne: technický proces, frekvencia hodín, objem cache, ako aj spotreba energie.

Charakteristika procesora: Typ technického procesu

Rozvoj počítačového vybavenia je považovaný za komunikáciu s príchodom výpočtových technológií nových generácií počítačov. Zároveň sa môže zvážiť indikátory výkonnosti, jeden z kritérií pripočítania počítača na jednu alebo inú generáciu jeho absolútnej veľkosti. Najprv najprv porovnávacie sú porovnateľné veľkosti s viacpodlažným domom. Počítače druhej generácie boli porovnateľné vo veľkosti, napríklad s pohovkou alebo klavírom. Hlavná úroveň ďalšej úrovne bola už úzka blízka skutočnosti, že nám teraz poznajú. Na druhej strane, moderné počítače sú počítače štvrtej generácie.

V skutočnosti to všetko? Faktom je, že počas vývoja počítača sa vytvorilo neoficiálne pravidlo: čím viac technologického zariadenia, tým menšie rozmery rovnakého výkonu, a to aj s tým väčšie - má. Plne funguje vo vzťahu k posudzovaným charakteristikám centrálneho procesora, konkrétne proces jeho výroby. V tomto prípade je dôležitá vzdialenosť medzi kryštálmi s kremíkmi, ktoré tvoria štruktúru čipu. Čo je menej - tým väčšia je hustota zodpovedajúcich prvkov, ktoré centrálne procesorové dosky na seba. Môžu sa zvážiť najmä produktívne. Moderné spracovatelia sa vykonávajú na procese 90-14 nm. Tento ukazovateľ má tendenciu postupného znižovania.

Hodinový frekvencia

Frekvencia hodín centrálneho procesora je jedným z kľúčových ukazovateľov výkonnosti. Určuje, koľko operácií za sekundu môže vytvoriť čip. Ako sú viac - produktívnejší procesor a počítač ako celok. Treba poznamenať, že tento parameter charakterizuje, v prvom rade, jadra ako nezávislý modul centrálneho procesora. To znamená, že ak zodpovedajúce komponenty na čipe sú niekoľko, každý z nich bude pracovať so samostatnou frekvenciou. Niektorí špecialisti z nich považujú prípustné na zhrnutie týchto charakteristík na všetkých jadrách. Čo to znamená? Ak napríklad 4 jadrá s frekvenciou 1 GHz nainštalovaného na procesore, potom celkový indikátor výkonu počítača, ak nasleduje táto metodika, bude 4 GHz.

Frekvenčné komponenty

Dotknutý index je vytvorený z dvoch zložiek. Po prvé, je to frekvencia systémovej pneumatiky - zvyčajne sa meria v stovkách megahertz. Po druhé, toto je koeficient, na ktorý sa zodpovedajúci indikátor vynásobí. V niektorých prípadoch výrobcovia procesorov poskytujú používateľom možnosť nastaviť oba parametre. Zároveň, ak je to dostatočne vysoké hodnoty pre systémový autobus a multiplikátor, môžete výrazne zvýšiť výkon mikroobchodov. To je presne to, čo je procesor urýchlený. Je pravda, že je potrebné ho starostlivo používať.

Faktom je, že keď pretaktovanie môže výrazne zvýšiť teplotu centrálneho procesora. Ak počítač nenastaví príslušný chladiaci systém, môže to viesť k výstupu čipu.

Hotovosť

Moderné spracovatelia sú vybavené cache modulmi. Ich hlavným cieľom je dočasné umiestnenie údajov, ktoré sú spravidla predložené súborom špeciálnych tímov a algoritmov - tých, ktorí sa zúčastňujú na prevádzke občiankov, najčastejšie. Čo to dáva v praxi? Po prvé, skutočnosť, že nakladanie centrálneho procesora môže byť znížená z dôvodu, že samotné príkazy a algoritmy budú v prevádzkovom prístupe. Mikrocirkte, ktorý prijíma hotové pokyny z vyrovnávacej pamäte, netrába čas na ich vývoj od nuly. Výsledok počítač prichádza rýchlejšie.

Hlavná charakteristika cache-objem. Čo je to viac, resp. Obzvlášť obsahujúci modul z hľadiska umiestnenia najviac pokynov a algoritmov používaných procesorom. Najmä pravdepodobnosť, že mikroobvod bude všetky časy nájsť medzi nimi potrebné pre seba a pracovať rýchlejšie. Hotovosť na moderných procesoroch je najčastejšie rozdelená do troch úrovní. Prvý pôsobí na základe najrýchlejších a high-tech mikroobvodov, zvyšok je pomalší. Objem vyrovnávacej pamäte na prvej úrovni na moderných procesoroch je približne 128-256 kB, druhá je 1-8 MB, tretia môže prekročiť 20 MB.

Spotreba energie

Ďalším významným parametrom mikroobvodov je spotreba energie. Napájanie centrálneho procesora môže prevziať významnú spotrebu energie. Moderné modely Mikroobvody konzumujú približne 40-50 W. V niektorých prípadoch má tento parameter hospodársky význam - Napríklad, ak ide o vybavenie veľkých podnikov s niekoľkými stovkami alebo tisíckami počítačov. Ale žiadny menej významný faktor v spotrebe energie z hľadiska prispôsobenia procesorov na použitie mobilné zariadenia - notebooky, tablety, smartfóny. Zodpovedajúci ukazovateľ menej, tým dlhšie bude autonómna práca Zariadenie.