Тема 1.3. Устройства компьютера. Центральный процессор Информатика – 1. Аппаратное и программное обеспечение компьютерной техники
Центральный процессор (1) Центральный процессор Центральный процессор (ЦП, CPU – Central Processing Unit) – часть аппаратного обеспечения компьютера, отвечающая за выполнение арифметических операций, заданных программами, и координирующая работу всех устройств компьютера. 2
Центральный процессор (1.1) Центральный процессор Центральный процессор в общем случае содержит в себе: арифметико-логическое устройство; шины данных и шины адресов; регистры; счетчики команд; кэш очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт); математический сопроцессор чисел с плавающей точкой. 3
Центральный процессор (2) Основными характеристиками процессоров Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном рынке, являются: фирма производитель; серия; количество вычислительных ядер; тип установочного разъема (сокет); тактовая частота. 4
Центральный процессор (3) Фирма производитель Фирма производитель На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intel составляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена. 5
Центральный процессор (4) 6 Серия Серия Одна из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, производители разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.
Центральный процессор (4.1) 7 Intel В основе продукции компании Intel лежат пять основных семейств – Pentium (Dual-Core), Celeron (Dual-Core), Core i3, Core i5, Core i7.
Центральный процессор (4.2) 8 Компания AMD, почитателям своей продукции, предлагает процессоры серий: Athlon II, Phenom II, A-Series, FX-Series.
Центральный процессор (5) 9 Количество вычислительных ядер Количество вычислительных ядер Самыми распространёнными являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами. Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность. Правда при работе со старым, неоптимизированным под многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать.
Центральный процессор (6) 10 Тип разъема Тип разъема Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных ПК, таковых семь – четыре для чипов Intel и три для AMD.
Центральный процессор (6.1) 11 Intel Основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров Intel считается LGA Самые производительные и продвинутые решения этой компании устанавливаются в разъем LGA AMD Среди изделий AMD, на сегодняшний день самым используемым типом разъема можно назвать Socket AM3 (в него устанавливаются большинство бюджетных и самых ходовых продуктов компании), Socket AM3+ и Socket FM1.
Центральный процессор (7) 12 Тактовая частота Тактовая частота Характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может проделать в секунду.
Центральный процессор (7.1) 13 Сводная таблица семейств процессоров для настольных ПК
Центральный процессор (7.2) 14 Отличие процессоров Intel от процессоров AMD Процессоры AMD, кроме APU, совместимы с сокетами AM3 и AM3+, процессоры Intel требуют установки в один тип сокета LGA. Процессоры AMD дешевле при сохранении основных технических характеристик. Процессоры Intel в тестах показывают более высокую вычислительную производительность Графические ядра гибридных процессоров AMD мощнее. Процессоры AMD нового поколения (FX) оптимизированы под многопоточность. Процессоры Intel более экономичны в энергопотреблении.
Центральный процессор (8) 15 Возможности процессора определяются следующими основными характеристиками: степенью интеграции или непосредственно связанной с ней технологией производства; внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных; частотой тактового генератора для процессора; количеством ядер в многоядерном процессоре; производительностью процессора; объемом памяти, к которой может адресоваться процессор; объемом каждого вида кэш-памяти; поддерживаемой частотой системной шины; типами оперативной памяти; набором команд; используемыми архитектурами и технологиями; напряжением электропитания и потребляемой мощностью; вариантом поставки; типом разъема для подключения.
Центральный процессор (8.1) 16 степенью интеграции степенью интеграции любой микросхемы, в том числе и процессора, показывает, сколько транзисторов умещается в ней. Эта характеристика изменилась от 6000 в первом процессоре для персональных компьютеров Intel 8080 до миллиардов транзисторов. Технология производства Технология производства определяется минимальным допустимым размером элемента процессора при литографии. Эта характеристика называется также технологической нормой или топологической нормой. Технология производства изменилась с 3 микрон (3*10 -6 метра) для первых процессоров до 32 и 45 нм (нанометров – метра) в современных процессорах.
Центральный процессор (8.2) 17 внутренней разрядностью Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно – внутренней разрядностью или просто разрядностью. Процессор Intel 8080 был 8-разрядным. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров являются 64-разрядными, однако, некоторые процессоры, предназначенные для портативных устройств, являются 32- разрядными. Внешняя разрядность Внешняя разрядность для процессора определяется разрядностью системной шины. Внешняя разрядность Intel 8080 была равно 8 битам, а у современных процессоров значение этой характеристики равно 64 или 128 битам.
Центральный процессор (8.3) 18 Поддерживаемая частота системной шины Поддерживаемая частота системной шины (некоторые процессоры поддерживают несколько частот) определяет скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами (прежде всего, оперативной памятью). Используемые в настоящее время частоты – МГц. Типами оперативной памяти С помощью системной шины процессор подключается к внутренней (оперативной) памяти. Типами оперативной памяти, используемыми в последних моделях процессоров Intel, являются DDR 2 SDRAM и DDR 3 SDRAM.
Центральный процессор (8.4) 19 набор команд Существенной характеристикой процессора является используемый набор команд. Более старые модели процессоров Intel поддерживают набор команд IA-32, а все новые 32-разрядные процессоры – набор команд Intel 64. Набор команд IA-32 Набор команд IA-32: Набор команд 32-разрядных процессоров Intel называют IA-32 (Instruction Architecture 32 – архитектура команд 32). Этот набор впервые был использован в процессоре Intel Этот Набор команд IA-32, в свою очередь, содержит следующие три набора: набор команд x86; набор команд x87; наборы мультимедийных команд.
Центральный процессор (8.5) 20 Основной набор команд процессоров Intel называют набором x86 (работает только с целыми числами). Этот набор впервые появился в процессорах Intel 8086 и включает следующие виды команд: команды перемещения данных; команды двоичной арифметики (сложения, вычитания, умножения и деления) для чисел с фиксированной точкой (целых чисел); команды десятичной арифметики для двоично-десятичных чисел; команды логических операций (НЕ, И, ИЛИ и исключающего ИЛИ); команды сдвига битов; команды проверки и модификации битов; команды управления (условного и безусловного перехода, цикла, вызова процедур из возврата из процедур); команды работы со строками; команды ввода-вывода; системные команды. В 16-разрядных процессорах Intel 8086, Intel 8088 и Intel эти команды использовались с байтами (8 бит) и словами (16 бит). В 32-разрядных процессорах, начиная с Intel 80386, добавлены команды работы с двойными словами (32 бита), а также некоторые другие команды.
Центральный процессор (8.6) 21 Операции для чисел с плавающей точкой первоначально либо реализовались в процессоре программно, либо выполнялись в отдельном процессоре (первым таким процессором был процессор Intel 8087). Поскольку процессор Intel 8087 функционировал только совместно с процессором Intel 8086 или Intel 8088, его назвали сопроцессором. Начиная с процессора Intel 80486, сопроцессор для операций с плавающей точкой является встроенным блоком процессора. Для операций с плавающей точкой используется набор команд x87, включающий в себя следующие группы команд: команды перемещения данных (в том числе и команды перемещения данных по некоторому условию); арифметические команды; команды сравнения; команды вычисления основных тригонометрических и логарифмический функций; команды загрузки некоторых констант (например, значения ); команды управления выполнением операций для чисел с плавающей точкой. Эти команды поддерживают как операции над числами с плавающей точкой обычного формата (32 бита), формата двойной точности (64 бита) и длинного формата (80 бит).
Центральный процессор (8.7) 22 Начиная с процессора Intel Pentium MMX, в процессорах фирмы Intel реализована технология мультимедийного расширения – MMX (MultiMedia eXtension). Эта технология включают в себя 57 команд для обработки звуковых и видеосигналов, разделенных на следующие группы команд: команды пересылки двойных слов (четырех байт) и учетверенных слов (восьми байт); команды преобразования (упаковки и распаковки байтов, слов и двойных слов); команды выполнения арифметических операций над упакованными целыми числами; команды выполнения логических операций над учетверенными словами; команды сдвига для упакованных данных; команды управления выполнением операций MMX.
Центральный процессор (8.8) 23 Набор команд Intel 64 ( ) Набор команд Intel 64 (фирма AMD и название набора x86-64; фирма Intel и название набор команд Intel 64) Основной отличительной особенностью AMD64 является поддержка 64-битных регистров общего назначения, 64-битных арифметических и логических операций над целыми числами и 64-битных виртуальных адресов. Доступ к памяти и функционирование компьютера в x86-64 осуществляются либо в «длинном» режиме, либо в режиме наследования.
Центральный процессор (8.9) 24 1.«Длинный» режим «родной» для процессоров AMD64. Этот режим дает возможность воспользоваться всеми дополнительными преимуществами, предоставляемыми архитектурой AMD64. 2.«унаследованный» режим позволяет процессору AMD64 выполнять инструкции, рассчитанные для процессоров x86, и предоставляет полную совместимость с 32-битным кодом и операционными системами. В этом режиме процессор ведёт себя точно так же, как x86-процессор, и дополнительные функции, предоставляемые архитектурой AMD64 (например, дополнительные регистры), недоступны. В этом режиме 64- битные программы и операционные системы работать не будут.