Untitled Document

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся и в регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, по не n:i тех ofv/iarrrii, iyi.c хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся про граммы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды у& дываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и 6oi байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (нагц мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и да 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд невзаимозаменяемые.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширеной системой команд — CISC-процессорами (CISC — Complex Instruction , Computing).

В противоположность CISC -процессорам в середине 80-х годов появились процессе архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессор сложилось следующее распределение их сфер применения:

CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;
RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных систем или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускали только CISC процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектур CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые Программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе. Основные параметры процессоров.

Быстродействие компьютера зависит прежде всего от того, какой центральный процессор (ЦП) в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной. Если же скорости процессора не хватает, то есть риск, что рабочий процесс или игра превратится в нервотрепку. ComputerBild расскажет об основных технических параметрах ЦП и о том, как они влияют на быстродействие процессора и всей системы.

Основные характеристики процессора

Современные модели ЦП значительно превосходят по быстродействию своих предшественников. Этим они обязаны нескольким значительным усовершенствованиям.

Увеличение тактовой частоты. Самый простой способ сделать процессор более производительным – повысить его тактовую частоту [1]. Начиная с 1971 года, когда появился первый микропроцессор, тактовая частота увеличилась в 25 000 раз (см. врезку на следующей странице). Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно как-то отводить от чипа (иначе процессор будет работать нестабильно). Заметим, что тактовая частота является только одним из факторов, определяющих производительность современного процессора, но не единственным. Поэтому «гонка частот» пошла на спад, и современные процессоры по частотным характеристикам недалеко продвинулись по сравнению с моделями двух- и трехлетней давности: тактовые частоты топовых ЦП едва превысили отметку в 3 ГГц.

Наличие нескольких ядер. Большинство современных процессоров являются двухъядерными (Dual Core). Это значит, что в одной микросхеме, по сути, находятся сразу два процессора. Уже появились модели, которые состоят из четырех ядер (Quad Core), например, Intel Core 2 Quad и AMD Phenom X4. В будущем количество ядер в процессорах будет только возрастать, потому как увеличивать их число проще, чем постоянно поднимать тактовую частоту.

Увеличение объема кэш-памяти. Данные, с которыми работает процессор, и команды для их обработки помещаются в оперативной памяти, но помимо нее, в сам ЦП встроена кэш-память (cache), доступ к которой осуществляется гораздо быстрее. В кэш помещаются наиболее часто используемые процессором данные и куски программного кода. Чем больше объем кэш-памяти, тем выше скорость работы процессора на реальных задачах (при этом прирост производительности сильно зависит от самой задачи). Вся кэш-память делится на два уровня. К первому уровню процессор получает доступ быстрее, поэтому в нем содержится самая нужная информация. В кэш второго уровня попадают менее «ходовые» данные. Объем первого уровня невелик и у нынешних ЦП различается не столь сильно, поэтому является менее показательной характеристикой. А кэш-память второго уровня увеличивается ударными темпами: у современных двухъядерных процессоров она может иметь объем до 6 Мб, а у четырехъядерных - до 12 Мб.

Увеличение тактовой частоты фронтальной шины. Обмен данными современных процессоров с оперативной памятью происходит через канал, называемый фронтальной шиной (Front Side Bus – FSB). Чем выше ее тактовая частота, тем быстрее происходит передача данных. Первые процессоры Pentium 4 c шиной 400 МГц могли сообщаться с памятью на скорости 3,2 Гб в секунду. Пропускная способность современных процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad с шиной 1333 МГц достигает 10,6 Гб в секунду.

Все вышеперечисленные достижения стали возможными благодаря постоянно развивающимся технологиям производства микропроцессоров. Последние модели четырехъядерных ЦП Intel содержат 820 (!) млн транзисторов. Для того чтобы уместить такое огромное количество элементов на площади, равной паре квадратных сантиметров, нужно уменьшить их до микроскопических размеров. Попутно уменьшается количество выделяемого тепла, и становится возможной работа на более высоких частотах. Размер транзистора передовых современных ЦП составляет всего 45 нанометров (для сравнения: толщина человеческого волоса равна 10 000 нанометров). В 2009 году производство процессоров перейдет уже на 32-нанометровую технологию.

Выбор процессора

Итак, параметры числа, определяющие производительность ЦП – тактовая частота, количество вычислительных ядер, объем кэш-памяти и частота системной шины. Однако, все не так просто. Прежде чем идти в магазин за новым процессором, нужно найти ответы на ряд важных вопросов.

Нужно ли покупать самый быстрый процессор?

Ответ – нет. Даже если вы играете в трехмерные игры или работаете с профессиональными графическими приложениями, ваш компьютер должен обладать хорошим, но не обязательно самым быстрым и новейшим ЦП, так как у них тоже есть свои недостатки:

Высокая цена. Стоимость «флагманских» моделей процессоров весьма высока. Например, за самый быстрый ЦП из тех, которые сейчас производит компания Intel – четырехъядерный Core 2 Extreme QX9770 – придется выложить от 28 тыс. тенге. При этом за 100-150 тыс. тенге можно приобрести целый компьютер с очень достойной производительностью, укомплектованный процессором Core 2 Duo E8500 стоимостью около 8 тыс. тенге, быстродействие которого в большинстве случаев будет ненамного меньше показателей более мощных аналогов. Кроме того, современные производительные процессоры раскрывают свой потенциал полностью лишь в том случае, если и остальные компоненты компьютера – графическая карта, оперативная память и жесткий диск – тоже принадлежат к «высшей категории». В противном случае, общая производительность системы будет ограничена ее самым слабым звеном. А компьютер, полностью состоящий только из самых дорогих комплектующих, стоит от 200 до 350 тыс. тенге.

Если же задачи, которые вы решаете на компьютере, ограничиваются просмотром веб-сайтов, прослушиванием музыки и работой с текстом, то вам с избытком хватит мощности относительно дешевого двухъядерного процессора. Такого, например, как Athlon 64 X2 5000+ фирмы AMD (стоит он от 10 тыс. тенге). Компьютеры на основе таких ЦП с полной комплектацией и соответствующим программным обеспечением можно купить за 75 тыс. тенге.

Помимо астрономической цены, производительные процессоры характеризуются высоким энергопотреблением. Особенно это ощутимо при максимальной нагрузке: потребляемая мощность может достигать 130 Ватт, в то время как у менее производительных моделей этот показатель не превысит 65 или даже 45 Ватт. Наличие такого процессора требует мощной системы охлаждения, которая сделает ваш компьютер либо более шумным, либо более дорогим.

Спасает только то, что процессор работает при максимальной загрузке так же редко, как машина ездит на предельной скорости. Поэтому все современные ЦП, как и процессоры для ноутбуков, оснащены технологией экономии энергии. У фирмы AMD она называется Cool’n’Quiet, у Intel – Enhanced SpeedStep. Суть и той, и другой заключается в следующем: при отсутствии необходимости работать с высокой производительностью процессор снижает тактовую частоту, а при повышении нагрузки снова ее увеличивает.

Действительно ли двухъядерный процессор работает в два раза быстрее одноядерного, а четырехъядерный – в четыре?

Вовсе не обязательно. Более того, одноядерные процессоры с высокой тактовой частотой могут работать быстрее двухъядерных с меньшей тактовой частотой. Дело в том, что для полноценного использования ресурсов двух и более ядер программное обеспечение должно эффективно разделять нагрузку на несколько потоков.

Многопоточные вычисления должны поддерживать прикладные программы, на что уходит дополнительный труд разработчиков ПО. Расходы на оптимизацию программного обеспечения под технологию многоядерных процессоров столь велики, что множество программных продуктов до сих остаются неоптимизированными. Но поскольку компьютеров с многоядерными процессорами становится все больше, разработчикам приходится не отставать.Рост производительности: закон Мура

Примерно каждые два года производительность процессоров будет увеличиваться вдвое – это эмпирическое правило высказал Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel. Мур также предсказал, что количество транзисторов в составе процессора будет удваиваться каждые 18-24 месяца. До сих пор оба этих правила, которые называют «Закон Мура», подтверждаются развитием технологий.

Производительности первого в мире серийного процессора Intel 4004, выпуск которого начался в 1971 (смотрите рисунок внизу) хватало для работы инженерного калькулятора, для которого он и был разработан. По сравнению с 2300 транзисторами в составе процессора Intel 4004 количество транзисторов в современных процессорах увеличивалось почти в 350 тыс. раз.

Уже существуют некоторые программы, работа которых значительно улучшается при использовании многоядерных процессоров – например, современные версии программ-архиваторов или кодировщиков видео.

К числу «консервативных» приложений относятся компьютерные игры, многие из которых работают быстрее при наличии одноядерного процессора с более высокой тактовой частотой, чем двухъядерного с более низкой. Но есть и оптимизированные под многоядерные процессоры игровые релизы, например, Supreme Commander, Crysis и World in Conflict.

Заметим, что практически все современные процессоры теперь выпускаются как минимум с двумя ядрами, так что выбирать стало не из чего. Более актуален выбор между двух- и четырехъядерными ЦП, и здесь очень важен один момент: как бы соблазнительно не выглядел процессор «4 в 1» толку от дополнительной пары ядер в большинстве случаев еще меньше, чем от перехода с одного ядра на два.

Операционная система также должна поддерживать многопоточную технологию. В старых версиях «операционок» – например, Windows 98 и Me – из всех ядер процессора будет работать только одно. Для операционной системы Windows XP нужно установить пакет обновлений Service Pack 2, чтобы фоновые задания переназначались на второе ядро процессора. Лучше всех совместима с многоядерной технологией Windows Vista: она может распределять по разным ядрам не только фоновые задачи, но и вычислительные процессы отдельных программ. Так, например, пока одно ядро процессора занято демонстрацией видео, а на другом работает антивирус.

Несмотря на увеличение количества транзисторов, физические размеры процессоров постепенно уменьшаются

Можно ли определить производительность процессора по названию?

Долгое время о производительности процессора можно было судить по его тактовой частоте. Однако правило «чем больше частота, тем больше производительность» уже не актуально. Компании-производители процессоров – AMD и Intel – отказались от «гонки мегагерц» и даже в названии моделей ЦП используют не частоту, а числовые индексы.

При этом по-прежнему действует принцип: чем больше число в названии модели, тем быстрее процессор. Например, процессор Core 2 Duo E8200 имеет два ядра и частоту 2,66 ГГц, а процессор E8400 – те же два ядра и частоту около 3,0 ГГц.

Фирма AMD измеряет производительность процессоров Athlon X2 в единицах частоты старых процессоров Athlon Thunderbird, хотя более уместно сравнение с Pentium 4 в качестве эталона. Так, в названии 2,4-гигагерцевого процессора AMD Athlon 64 3800+ цифры «3800» обозначают частоту, которую должен был бы иметь старый одноядерный процессор Athlon Thunderbird, чтобы сравняться с этой моделью в производительности. Сейчас фирма AMD отказывается от такой маркировки и переходит на абстрактную нумерацию моделей. К примеру, процессор Phenom X3 8650 оснащен тремя ядрами с тактовой частотой 2,3 ГГц, а в процессоре Phenom X4 9850 работают четыре ядра с тактовой частотой 2,5 ГГц.

Хотя числовые индексы позволяют узнать, как процессоры из одной серии соотносятся друг с другом по быстродействию, сравнить между собой ЦП из конкурирующих «станов» можно только на основании тестирования.

Что скрывается за обозначениями Conroe или Wolfdale?«Горячие головы»

Современные процессоры вырабатывают тепло, по количеству сопоставимое с тем, которое выделяют небольшие электронагревательные приборы. Кулер процессора отводит от него тепло и отвечает за то, чтобы температура не превышала критических значений – иначе процессор начнет сбоить, а компьютер – «глючить»; в худшем случае электроника может полностью выйти из строя. Большинство кулеров состоит из вентилятора и большого радиатора, который устанавливается на процессор. Более современные модели оснащены одной или несколькими тепловыми трубками. Подробней об охлаждении процессора см. ComputerBild № 11/2008.

После названия модели процессора в таблице на странице 114 в кавычках указаны дополнительные обозначения. Например, в одной строке рядом с названием Core 2 Duo стоит обозначение Conroe, а в другой – Wolfdale. В данном случае Core 2 Duo – это торговая марка, наименование модели процессора, а Conroe или Wolfdale – название ядра, микросхемы, заключенной в ЦП. Таким образом, под одной и той же маркой могут существовать несколько разных устройств, подчас ощутимо отличающихся друг от друга производительностью.

По названию ядра специалист может определить характеристики процессора. Например, Conroe изготовлен по по 65-нанометровой технологии, оснащен 4 Мб кэш-памяти и имеет максимальную тактовую частоту 3 ГГц. Его последователь Wolfdale выполнен по 45-нанометровой технологии, благодаря чему фирме Intel удалось увеличить кэш-память до 6 Мб, а тактовую частоту – до 3,16 ГГц.

Чьи процессоры лучше – Intel или AMD?

В настоящий момент технологическим лидером является фирма Intel, но по соотношению «цена/производительность» выигрывает продукция AMD.

Топовые процессоры фирмы Intel работают быстрее, чем аналогичные ЦП производства AMD, хотя процессоры AMD Phenom в среднем ценовом диапазоне тоже весьма достойны. При этом «камни» Intel стоят достаточно дорого: в линейке процессоров Quad-Core представлено сразу 6 моделей стоимостью более 10 тыс. рублей, а самый дорогой процессор AMD стоит максимум 9 тыс. рублей.

Если вы не собираетесь выжимать из ПК максимум, постоянно нагружая его ресурсоемкими приложениями, выбор процессора AMD позволит сэкономить деньги. Особенно в том случае, если у вас уже есть компьютер на базе процессора Athlon X2 с разъемом Socket AM2 – новый процессор Phenom X3 или X4 станет для него хорошим подспорьем.

Как узнать, какой процессор подходит для компьютера?

Нужно выяснить, обладает ли новая модель, которую вы собрались купить, разъемом, совместимым с вашей материнской платой. Процессорный разъем также называется «сокет» (socket). В настоящее время существует 6 видов сокетов для настольных компьютеров.

Socket 478 предназначен для процессоров Pentium 4, Mobile Pentium 4 и Celeron, а также Celeron D производства фирмы Intel.

Socket 775 – последователь сокета 478, предназначенный для процессоров Intel Pentium 4, Pentium D Celeron, Celeron D, Core 2 Duo и Core 2 Quad.

Socket 754 и 939 предназначены для процессоров фирмы AMD: Athlon-64 и Sempron.

Socket AM2 – это разъем, который используется всеми современными процессорами AMD – Athlon X2 и Phenom.

Socket AM2+ – новая версия существующего разъема AMD, предназначенная специально для процессоров Phenom. Athlon X2 работает в материнских платах с сокетом AM2+ точно так же, как в старых, а вот производительность Phenom в системе с Socket AM2 будет частично ограничена.