загрузка...
загрузка...
На головну

Архітектура і параметри процесорів

  1. архітектура
  2. архітектура
  3. АРХІТЕКТУРА
  4. АРХІТЕКТУРА
  5. АРХІТЕКТУРА
  6. архітектура
  7. архітектура

Мікропроцесор (МП, процесор), або більш повно ЦПУ (CPU - central processing unit), є центральним компонентом комп'ютера. Це компонент, який прямо або побічно управляє всім, що відбувається в комп'ютерній системі.

Відомий вчений ХХ століття фон Нейман в 1945 р вперше запропонував зберігати послідовність інструкцій, так звані програми, в тій же пам'яті, що і дані. У своїй доповіді він описував комп'ютер, що складається з чотирьох основних частин: центрального арифметичного пристрою, центрального керуючого пристрою, пам'яті і засобів введення-виведення (згадаймо ідею Ч. Беббіджа).

Сьогодні майже всі процесори мають фон-неймановскую архітектуру.

Кожен мікропроцесор має певну кількість елементів пам'яті, що називаються регістрами, арифметико-логічний пристрій (АЛП) і пристрій керування.

регістри пам'яті використовуються для тимчасового зберігання виконуваної команди, адрес пам'яті, оброблюваних даних та іншої внутрішньої інформації мікропроцесора.

В АЛУ здійснюється арифметична й логічна обробка даних.

Пристрій керування виробляє необхідні керуючі сигнали для внутрішньої роботи мікропроцесора і зв'язку мікропроцесора з іншими компонентами комп'ютера через процессорную шини.

Існує кілька напрямків у виробництві мікропроцесорів. Вони розрізняються принципами побудови архітектури процесора. Найбільш поширеними є архітектури RISC і CISC.

RISC. Мікропроцесори з архітектурою RISC (Reduced Instruction Set Computers - скорочений набір команд) використовують порівняно невеликий набір команд. Всі команди працюють з операндами і мають однаковий формат. Звернення до пам'яті виконується за допомогою спеціальних команд завантаження регістра і запису. Простота структури і невеликий набір команд дозволяють реалізувати повністю їх апаратне виконання й ефективний конвеєр при невеликому обсязі обладнання. Обчислювальні можливості RISC-процесорів відрізняє високий ступінь дроблення конвеєра. Цей прийом дозволяє збільшити тактову частоту (а значить, і продуктивність) комп'ютера: чим більш елементарні дії виконуються в кожній фазі роботи конвеєра, тим вище частота його роботи. RISC-процесори з самого початку орієнтовані на реалізацію всіх можливостей прискорення арифметичних операцій, тому їх конвеєри мають значно більш високу швидкодію, ніж в CISC-процесорах. Тому RISC-процесори в 2-4 рази швидше мають ту ж тактову частоту CISC-процесорів зі звичайною системою команд і є більш високопродуктивними, незважаючи на більший розмір програм. RISC-архітектура побудована на 4 основних принципах:

· Будь-яка операція повинна виконуватися за один такт, незалежно від її типу;

· Система команд повинна містити мінімальну кількість найбільш часто використовуваних найпростіших інструкцій однакової довжини;

· Операції обробки даних реалізуються тільки у форматі «регістр - регістр» (операнди вибираються з оперативних регістрів процесора, і результат операції записується також у регістр; а обмін між оперативними регістрами і пам'яттю виконується тільки за допомогою команд завантаження-записи);

· Склад системи команд повинен бути зручний для компіляції операторів мов високого рівня.

Ускладнення RISC-процесорів фактично наближає їх архітектуру до CISC-архітектури. Кількість процесорів з RISC-архітектурою зростає і всі провідні фірми США їх виробляють, в тому числі фірми IBM, Intel, Motorola.

CISC. Мікропроцесори з архітектурою CISC (Complex Instruction Set Computers - архітектура обчислень з повною системою команд) реалізують на рівні машинної мови комплексні набори команд різної складності, від простих, характерних для мікропроцесора першого покоління, до складних. Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів побудовано за архітектурою CISC. До цієї архітектурі можна адресувати мікропроцесора сімейства х86.

Останнім часом з'явилися гібридні процесори, які мають систему команд CISC, однак всередині перетворюють їх в ланцюжки RISC-команд, які і виконуються ядром процесора.

Поступове ускладнення CISC-процесорів відбувається в напрямку більш досконалого управління машинними ресурсами, а також в напрямку зближення машинних мов з мовами високого рівня.

У той же час складна система команд і змінний формат команди процесором з CISC-архітектурою призвели до швидкого зростання складності схем. Так, процесор 8086 містив 29 тис. Транзисторів, 80386 - 275000, Pentium - 3100000, Pentium 4 - від 40 млн транзисторів і перевершив кордон 100 млн. Для того щоб такі процесори взагалі могли працювати з прийнятним енергоспоживанням і розміщуватися на обмеженій площі кристала, виробники працюють над мініатюризацією транзисторів. Вже випускаються мікропроцесори по 0,09 мкм, 0,065 мкм технологічного процесу і освоюються технології 0,045 мкм.

Параметри процесорів. Структури різних типів процесорів можуть істотно відрізнятися, однак з точки зору користувача найбільш важливими параметрами є архітектура, адресний простір пам'яті, розрядність шини даних, швидкодія.

архітектуру мікропроцесора (МП) визначає розрядність слова і внутрішньої шини даних МП. Перші МП для комп'ютерів (мікрокалькулятори) грунтувалися на 4-розрядної архітектури. Перші персональні ЕОМ використовували МП з 8-розрядної архітектурою, а сучасні МП засновані на 32- і 64-розрядної архітектури.

Мікропроцесори з 4- і 8-розрядної архітектурою використовували послідовний принцип виконання команд, при якому чергова операція починається тільки після виконання попередньої. У деяких МП з 16-розрядної архітектурою використовуються принципи паралельної роботи, при якій одночасно з виконанням поточної команди виробляються попередня вибірка й зберігання наступних команд. У мікропроцесорах з 32-розрядної архітектурою використовується конвеєрний метод виконання команд, при якому кілька внутрішніх пристроїв МП працюють паралельно, здійснюючи одночасно обробку декількох послідовних команд програми.

Адресний простір пам'яті визначається розрядністю адресних регістрів і адресної шини МП. У 8-розрядних МП адресні регістри зазвичай складаються з двох 8-розрядних регістрів, утворюючи 16-розрядну шину, що адресують 68 КБ пам'яті. У 16-розрядних МП, як правило, використовуються 20-розрядні адресні регістри, що адресують 1 МБ пам'яті. У 32-розрядних МП використовуються 24- і 32-розрядні адресні регістри, що адресують від 16 МБ до 4 ГБ пам'яті. Для вибірки команд і обміну даними з пам'яттю МП мають шину даних, розрядність якої, як правило, збігається з розрядністю внутрішньої шини даних, яка визначається архітектурою МП. Однак для спрощення зв'язку із зовнішньою апаратурою зовнішня шина даних може мати розрядність меншу, ніж внутрішня шина і регістри даних. Наприклад, деякі МП з 16-розрядної архітектурою мають 8-розрядну зовнішню шину даних. Вони являють собою спеціальні модифікації звичайних 16-розрядних МП і мають практично той же обчислювальною потужністю.

Одним з важливих параметрів МП є внутрішня тактова частота його роботи і її узгодженість з частотою системної шиною, яка зазвичай задається зовнішніми генераторами. Для процесорів Pentium стандартними є частоти системної шини 66, 100, 133, 266, 400, 533, 800, 1066 МГц, а власна частота мікропроцесора вже досягла 3,8 ГГц. Виконання найпростіших команд (наприклад, додавання двох операндів із регістрів або пересилання операндів в регістрах МП) вимагає мінімально двох періодів тактових імпульсів (для вибірки команди і її виконання). Більш складні команди вимагають для виконання до 10-20 періодів тактових імпульсів. Якщо операнди знаходяться не в регістрах, а в пам'яті, додатковий час витрачається на вибірки операндів у регістри і запис результату в пам'ять. Тому не можна визначати швидкодію ПК тільки тактовою частотою процесора.

Швидкість роботи МП визначається не тільки тактовою частотою, але і набором його команд, їх гнучкість, розвиненою системою переривань.

Коли говорять про прогнози щодо збільшення щільності розміщення і зменшення геометричних розмірів транзисторів, зазвичай згадують так званий закон Мура. Проаналізувавши темпи розвитку напівпровідникових пристроїв і економічні чинники за минулі шість років, Мур припустив, що до 1975 року кількість транзисторів в одній інтегральній мікросхемі складе 65 тис. Саме цей прогноз на найближчі десять років став визначати розвиток мікроелектроніки. За прогнозом Мура, кількість транзисторів в одній мікросхемі за десять років мала збільшитися більш ніж в 1000 разів. А це означало, що кожен рік кількість транзисторів в одній мікросхемі має подвоюватися.

До 1975 року зростання кількості елементів в одній мікросхемі став трохи відставати від прогнозу. Тоді Гордон Мур скорегував період оновлення до 24 місяців, щоб компенсувати очікуване збільшення складності напівпровідникових компонентів. В кінці 1980-х років одним з керівників корпорації Intel була внесена ще одна поправка, і прогноз Мура став означати подвоєння обчислювальної продуктивності кожні 18 місяців (обчислювальна продуктивність, яка вимірюється в мільйонах команд в секунду (MIPS), збільшується завдяки зростанню кількості транзисторів).

Звичайно, строго кажучи, ніякого закону Мура не існує. Але тим не менше його дотримуються протягом майже сорока років.

Крім передбачення експоненціального зростання щільності розміщення транзисторів, Мур зробив і інший важливий і на перший погляд парадоксальний висновок. Скорочення розмірів транзисторів має неминуче призвести до того, що інтегральні мікросхеми на їх основі будуть все дешевше, могутніше і доступніше.

Точніше, сам факт збільшення щільності розміщення транзисторів за рахунок скорочення їх розмірів супроводжується важливими наслідками. Дійсно, якщо говорити просто про кількість транзисторів в одній мікросхемі (табл. 6), то з часу 30-транзисторних компонентів 1965 року ця кількість зросла на багато порядків. У 1975 році кількість компонентів досягла майже 65 тис. До 1989 року процесор Intel i80486 містив 1,4 млн транзисторів. А в 2002 році корпорація Intel анонсувала процесор Intel Pentium 4 на основі 0,13-мікронної технології, що вміщає 55 млн транзисторів в одному кристалі. У процесорі Intel Pentium 4 на основі 90-нанометрового технологічного процесу кількість транзисторів налічує вже близько 125 млн, а в недалекому майбутньому технологія виробництва інтегральних мікросхем дозволить збільшувати кількість транзисторів на сотні мільйонів щорічно.

Одночасно зі збільшенням кількості транзисторів поліпшуються майже всі параметри мікропроцесорної технології, головні з яких - швидкість, продуктивність і енергоспоживання. Так, процесор i80486 працював на тактовій частоті 25 МГц. Сучасні процесори Pentium 4 мають тактові частоти вже більше 3 ГГц. Процесор з мільярдом транзисторів, як очікується, буде працювати на частоті, що наближається до 20 ГГц.

Однак закони фізики обмежують розробників в безпосередньому збільшенні частоти, і, хоча частоти ростуть щороку, це не може дати того приросту продуктивності, що було до теперішнього часу. Ось чому інженери постійно шукають спосіб змусити процесор виконувати більше роботи за кожен такт. Розвиток полягає в розширенні шини даних і регістрів. Більшість процесорів сьогодні мають 32-розрядну архітектуру, і активно просуваються процесори з 64-розрядної архітектурою.

Процес виробництва.Кремній або силікон - це основний матеріал для виробництва чіпів. Це напівпровідник, який, будучи прісажен добавками по спеціальній масці, стає транзистором, основним будівельним блоком цифрових схем. Процес має на увазі витравлювання транзисторів, резисторів, пересічних доріжок і т. Д. На поверхні кремнію.

Спочатку вирощується кремінну підставу. Воно повинно мати бездефектну кристалічну структуру, цей аспект накладає обмеження на її розмір. На наступній стадії заготівля розрізається на шари, звані пластинами. Вони поліруються до бездоганної дзеркальної поверхні. На цій пластині і створюється чіп. Зазвичай з однієї пластини робиться багато процесорів.

Електрична схема складається з різних матеріалів. Наприклад, діоксид кремнію - це ізолятор, з полісілікона виготовляються провідні доріжки. Коли з'являється відкрита пластина, вона бомбардується іонами для створення транзисторів - це і називається присадкою.

Таблиця 6

Технологічний процес виробництва мікропроцесорів компанії

INTEL

 Рік випуску  Технологічний процес  кількість транзисторів  процесор
 10 мкм
 10 мкм
 6 мкм
 3 мкм
 3 мкм  29 тис
 2 мкм  134 тис
 1,5 мкм  275 тис
 1,0 мкм  1,18 млн
 0,8 мкм  3,1 млн  Pentium
 0,35 мкм  7,5 млн  Pentium II
 0,25 мкм  9,5 млн  Pentium III
 0,18 мкм  24 млн  Pentium III Xeon
 0,13 мкм  42 млн  Pentium 4
 0,13 мкм  55 млн  Pentium 4 НТ
 90 нм  125 млн  Pentium 4 НТ
 65 нм  175 млн  Pentium 4 Prescott
 65 нм  близько 200 млн  Pentium 4 ХЕ 955Intel Core 2 Duo E6700
 45 нм    
 32 нм    

Щоб створити всі необхідні деталі, на всю поверхню пластини додаються шари і зайві частини витравлюється знову. Для цього новий шар покривається фоторезистором, на який проектується образ необхідних деталей. Після експозиції прояв видаляє частини фоторезистора, виставлені на світло, залишаючи маску, через яку проходило витравлювання. Що залишився фоторезистор видаляється розчинником.

Цей процес повторюється, по шару за один раз, до повного створення всієї схеми. Зайве говорити, що деталі розміром в мільйонну частку метра може зіпсувати найдрібніша порошинка. Така порошинка може бути розміром від мікрона до ста - а це в 3-300 разів більше деталі. Мікропроцесори виробляються в надчистої середовищі, де оператори одягнені в спеціальні захисні костюми.

У колишні часи виробництво напівпровідників призводило до удачі або невдачі зі ставленням успіху менше 50% працюючих чіпів. Сьогодні вихід готової продукції набагато вище і досягає до 90%. Після тестування хороші чіпи упаковуються в PGA-корпус (Pin Grid Arrays) - керамічний прямокутник з рядами штирьков на дні; саме такий корпус більшість людей приймають за процесор.

МП Intel 4004 використовував 10-мікронних процес: найменші деталі складали одну 10-мільйонну метра. За сьогоднішніми стандартами це величезні розміри. Якщо припустити, що Pentium II виготовлений за такою технологією, він був би розміром 14x20 см і був би повільним - швидкі транзистори малі. Більшість процесорів сьогодні використовують 0,13, 0,09- микронную технологію, і в роботі вже і 0,065-, 0,45-мікронних процес. Основні характеристики відображені в табл. 7 і 8

Таблиця 7

Основні моделі та їх характеристики процесорів 90-х років

   Мікропроцесор - Intel486 ™ SX  процесор Pentium®  Процесор Pentium® Pro  Процесор Pentium® II
 Оголошено про випуск  22/4/91  22/3/93  01/11/95  07/5/97
 Тактова частота  16 МГц, 20МГц, 25 МГц, 33 МГц  60 МГц, 66 МГц, 75 МГц, 90 МГц, 100 МГц, 120МГц: 133МГц, 150МГц: 166МГц  150МГц, 166 МГц, 180МГц, 200 МГц  200 МГц, 233 МГц, 266 МГц, 300 МГц
 Розрядність шини  32 біт  32 біт  64 біт  64 біт
 кількість транзисторів  1,185 мільйона (1 мікрон)  3,1 мільйона (0,8 мікрон)  5,5 мільйона (0,6 мікрон)  7,5 мільйона
 адресує пам'ять  4 гігабайт  4 гігабайт  64 гігабайт  64 гігабайт
 Віртуальна пам'ять  64 терабайт  64 терабайт  64 терабайт  64 терабайт
 Коротка характеристика  Конструктивний аналог Intel486 ™ DX, але без математичного співпроцесора  П'ятикратне зростання проізводітельнос- ти в порівнянні з процесором Intel486 ™ DX 33-МГц завдяки застосуванню суперскалярной архітектури  Високопроізводі- вальний процесор із застосуванням архітектури динамічного виконання  Подвійна незалежна шина, динамічну дію, технологія Intel ММХ ™

Таблиця 8

Мікропроцесори кінця 90-х років

   Процесор Intel® Celeron ™ (400, 366 МГц)  Процесор Pentium® II Хеоn ™ (450 МГц)  Процесор Intel® Celeron ™  Процесор Pentium® III  Процесор Pentium® III Хеоn ™
 Оголошено про випуск  04/1/99  05/1/99  25/1/99  26/2/99  17/3/99
 Тактова частота  400, 366 МГц;  450 МГц  266 і 300 МГц;  450, 500 МГц  500, 550 МГц
 Розрядність шини  64 біт      64 біт  64 біт
 кількість транзисторів  19 млн (0,25-мкм)  7,5 млн  18,9 млн (0,25-мкм)  9,5 млн (0,25-мкм)  9,5 млн (0,25-мкм)
 адресує пам'ять  4 гігабайт  64 гігабайт    64 гігабайт  64 гігабайт
 Віртуальна пам'ять    64 терабайт      

 




I. Класифікація комп'ютерів | Комп'ютери-ноутбуки. | Кишенькові персональні комп'ютери | смартфони | Barebone-системи | Принцип відкритої архітектури комп'ютера IBM PC | Системний блок | Типорозміри материнських плат і системних блоків | III. Материнська плата | Системна шина. локальні шини |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати