Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Концепции современных процессоров компьютера

Концепции современных процессоров

По вопросам технологии современных микропроцессоров написаны целые книги. Мы не собираемся обсуждать в данной книге все аспекты, касающиеся центральных процессоров. Но есть ряд моментов, которые полезно понимать при работе с современными персональными компьютерами.

Архитектуры CISC и RISC

Существует два типа архитектуры процессоров — CISC и RISC. CISC (Complete Instruction Set Computing) — тип архитектуры процессора с полным набором команд. Традиционные центральные микропроцессоры основаны на CISC-архитектуре. При этом подходе выполнение любой сколь угодно сложной команды из системы команд процессора реализовывается аппаратно внутри самого процессора. В систему команд CISC-процессора может входить, например, вычисление квадратного корня, что требует многих десятков тактов. Добавление каждой новой команды ведет к увеличению общего числа транзисторов в процессоре. CISC-архитектура позволяет создавать универсальные процессоры, но их производительность ограничена, в частности, сложностью микросхемы процессора. Микропроцессоры с CISC-архитектурой (например, Intel Pentium II, III, и IV или Athlon и Duron компании AMD) обычно устанавливаются в настольных и переносных компьютерах общего назначения. Напротив, в процессорах с RISC-архитектурой используется ограниченный набор быстрых команд. Каждая команда RISC-процессора должна выполняться за один машинный такт, так что вряд ли вы найдете в системе команд даже умножение. В таких микропроцессорах содержится меньшее количество транзисторов, что снижает их стоимость и энергопотребление. При этом, как правило, повышается их производительность. Нотам, где CISC-процессор выполняет одну команду, для RISC-процессора следует писать небольшую программу. Микропроцессоры с RISC-архитектурой устанавливаются в специализированных устройствах, например, в лазерных принтерах. Разработчики пытаются создать процессоры, которые сочетали бы в себе универсальность CISC-архитектуры с производительностью RISC-архитектуры. Вместе стем, ряд RISC-процессоров (например, DEC Alpha или MIPS Orion 4600) используется в качестве центральных в высокопроизводительных рабочих станциях.

Размер элемента и размер кристалла

Размер элемента характеризует уровень миниатюризации в процессоре. Для производства более мощных процессоров необходимо использовать большее количество транзисторов — это означает, что транзисторы должны быть как можно более маленькими. Технологические усовершенствования в производстве интегральных схем позволяют уменьшать размеры схем. Ранее считалось, что нельзя использовать технологические нормы менее 1 микрона. Но современные процессоры построены по 0,25-0,18 микронной технологии, а самые последние модели достигли уровня 0,13 микрон. В перспективе технологическую норму изготовления интефальных схем реально довести до 0,08 микрон. Кроме того, важна проблема отвода тепла от кристалла микропроцессора. Увеличение количества транзисторов в кристалле приводит к выделению дополнительной тепловой энергии, поэтому размер каждого отдельного транзистора должен становиться как можно меньше. Размер и компоновка транзисторов влияет и на размер кристалла микропроцессора.

Размер кристалла характеризует его физическую площадь и измеряется в квадратных миллиметрах (мм2). Чем меньше размер кристалла микропроцессора, тем больше можно их получить из одной подложки, что снижает себестоимость производства и делает их более дешевыми. Чем меньше размер кристалла микропроцессора, тем меньше и его энергопотребление.

Скорость процессора

Скорость процессора определяется несколькими основными факторами. Больше всего она зависит от конструкции схем процессора — конструкция диктует внутренние временные требования, которые ограничивают максимальную скорость процессора, с которой он сможет работать. На скорость также оказывает влияние технологические факторы — размер элемента и размер кристалла. В общем случае, чем меньше кристалл микропроцессора, тем выше скорость его работы, поскольку сигналы проходят более короткий путь и расходуют меньше энергии. Наконец, качество производства (оно зависит от технологического оборудования, на котором производятся подложки и готовые кристаллы) может варьироваться, и некоторые кристаллы могут работать быстрее других, несмотря на то, что они были сделаны по одной технологии и даже на одной подложке. В процессе испытаний, которые являются одной из фаз производства, процессоры делятся на фуппы в зависимости от скорости своей работы.

Версии и модификации

Конструкция процессора очень сложна. Как и в случае разработки любой аппаратуры, бывают случаи обнаружения ошибок (например, ошибка «плавающей запятой» в процессорах Pentium). Это означает, что любая версия процессора может существовать в нескольких конструктивных модификациях, в каждой новой модификации исправляются ошибки всех предыдущих модификаций. Для обозначения модификаций процессоров компания Intel использует термин stepping (или S-spec), и на корпусе процессора указывается значение этого параметра. Компания AMD использует номер модели для обозначения модификации процессора. Например, одна из последних моделей процессора Intel Pentium III была выпущена в модификации «SL3WA». Характеристики различных модификаций процессоров можно узнать у их производителя.

Новые модификации процессоров не содержат новых команд, исправляются лишь конструктивные ошибки, обнаруженные в предыдущей модификации.

Как правило, модификация процессора не оказывает существенного влияния на его производительность, за исключением отдельных случаев. Проблемы могут возникнуть при использовании комбинации конкретной модификации процессора, определенной системной платы и версии BIOS. Если вы столкнетесь с проблемами надежности работы компьютера, то обратитесь к производителю системной платы для выяснения наличия возможной проблемы с конкретной модификацией установленного у вас процессора. Проблема совместимости различных модификаций одного процессора может возникнуть при использовании нескольких процессоров на одной системной плате (в многопроцессорной системе).

Управление питанием процессора

Процессоры потребляют достаточно много энергии. Чтобы уменьшить потребляемую энергию и увеличить производительность системы, потребовалось перейти с традиционно использовавшегося на протяжении многих лет напряжения +5 В на меньшее напряжение питания, что потребовало создания новых процессоров, комплектов микросхем и устройств. Первым шагом в этом направлении было уменьшение рабочего напряжения до +3,3 В. Это напряжение появилось в ранних процессорах Pentium. В следующих моделях процессоров (Pentium ММХ и Pentium I I/I I I/I V) используемый уровень напряжения был снижен еще больше за счет применения двойного питания (двойной шины). Процессор с двойной шиной питания использует два различных уровня напряжения питания. Внешнее питание (или питание ввода-вывода) обычно равно +3,3 В, оно обеспечивает совместимость процессора с другими микросхемами системной платы. Внутренние питание (или питание ядра) несколько ниже (обычно в пределах от +2,5 В до +2,9 В, хотя в последних моделях процессоров используется еще более низкий уровень в пределах от+1,8 В до +2,4 В). Питание схем ввода-вывода позволяет центральному процессору взаимодействовать с системной платой, а питание ядра позволяет снизить внутреннюю температуру кристалла микропроцессора.

Традиционно требуемый уровень напряжения питания процессора устанавливался с помощью одной или нескольких перемычек на системной плате. Уровень напряжения питания современных процессоров устанавливается автоматически с помощью контактов выбора питания, расположенных на самом процессоре — необходимо лишь вставить процессор в гнездо системной платы и загрузить компьютер.

Поскольку потребляемая мощность питания процессора зависит от скорости его работы и внутренней активности, компания Intel разработала схемы управления питанием, которые позволяют экономить потребляемую процессором энергию (и увеличивать срок автономной работы в переносных компьютерах). Цепи управления питанием первоначально появились в процессоре Intel 4689SL (и были усовершенствованы в процессоре 486DX). Затем функции управления питанием были стандартизированы и стали внедряться во все процессоры Pentium и последующие модели. Когда говорято режиме управления системой SMM (System Management Mode), то подразумевают использование именно функций управления питанием. Схемы SMM интефированы в кристалл процессора, но работают независимо от него и управляют уровнем питания процессора в зависимости от его активности. С помощью системы управления питанием можно задавать интервалы времени, по истечении которых питание центрального процессора частично или полностью отключается. Можно также приостанавливать работу процессора и вновь его активизировать, что позволяет современным компьютерам использовать режим ожидания и спящий режим для снижения энергопотребления. Настройки системы SMM осуществляется с помощью профаммы CMOS Setup.

Охлаждение процессора

Каждый из миллионов транзисторов, работающих внутри процессора, при каждом своем переключении выделяет небольшое количество тепла. Когда такие переключения производятся сотни миллионов (и миллиарды) раз в секунду, проблема отвода тепла становится серьезной. Процессоры могут надежно работать лишь в определенном температурном диапазоне. Перефев процессора вызывает серьезные последствия — компьютер может перезафужаться, зависать или выходить из строя. Результатом могут быть также ошибки памяти, ошибки при выполнении приложений, проблемы доступа к накопителям и множество других неприятностей. Сильный (или периодический) перегрев может вывести процессор из строя, хотя это происходит редко. Трудность диагностирования таких ситуаций обусловлена тем, что они могут быть вызваны и другими причинами. Например, крах или зависание системы чаще связан с ошибками программного обеспечения или аппаратным конфликтом, чем с перегревом центрального процессора.

Процессоры охлаждают с помощью активных систем теплоотвода, состоящих из высокоскоростного вентилятора, установленного на большой металлический радиатор с многочисленными ребрами (рис. 5.4). Радиатор отбирает тепло от процессора, а вентилятор, в свою очередь, охлаждает радиатор направленным воздушным потоком. Нагретый воздух удаляется из системного корпуса другим вентилятором (поток тепла можно ощутить с задней стороны системного блока). Основная проблема активного теплоотвода связана с вентилятором — при выходе его из строя процессор весьма быстро перегревается. Для защиты от этого на многих системных платах устанавливаются тахометры, измеряющие скорость вращения вентилятора, и термометры для измерения температуры корпуса процессора. Если вентилятор перестает работать, температура процессора выходит за допустимый предел, на что укажет термометр, что позволит вам принять необходимые меры до того, как компьютер выйдет из строя.

Рис. 5.4 Система охлаждения процессора — радиатор и вентилятор

Тактовые частоты и тактовые генераторы

Во всех современных компьютерах используется несколько тактовых частот, которые вырабатываются одним или несколькими тактовыми генераторов. Каждый тактовый генератор работает на своей частоте, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Такт генератора (машинный такт или цикл) — это наименьшая единица времени, в течение которой компьютер выполняет какую-либо операцию. Некоторые операции выполняются за один такт, другие требуют для своего выполнения нескольких тактов. Тактовый генератор определяет работу многочисленных схем в компьютере, и чем выше частота их работы, тем выше производительность компьютера. В ранних персональных компьютерах использовалась одна тактовая частота, которая определял работу процессора, памяти и шины ввода-вывода. Современный компьютер может иметь до пяти тактовых частот. Термин «системная тактовая частота» обычно относится к частоте работы шины памяти системной платы (а не к тактовой частоте работы процессора). В современном компьютере системный тактовый генератор вырабатывает опорную тактовую частоту, на которой работает шина памяти. Специальные делители и умножители на основе опорной частоты формируют другие тактовые частоты, на которых работают процессор, шина PCI и иные компоненты. Производительность компьютера привязана к системной тактовой частоте — вот почему ее повышение является более важным фактором, чем повышение рабочей частоты процессора. Процессор тратит много времени на ожидание информации от более медленных устройств (особенно оперативной памяти). Увеличение тактовой частоты работы
процессора не приведет к пропорциональному повышению производительности системы, если процессору приходится долго ожидать более медленные устройства компьютера.

Корпуса процессоров

Кремниевые кристаллы микросхем процессоров в чистом виде не используются — это слишком хрупкие и чувствительные устройства. Кристалл микросхемы помещается в корпус, который защищает его и помогает рассеивать тепло. Стандартизированные корпуса микропроцессоров отличаются схемой размещения выводов и бывают двух типов — енотовые (с односторонним расположением выводов) и гнездовые (выводы расположены по всему периметру корпуса). В каждом поколении центральных микропроцессоров используется различное количество выводов (и их цоколевка), поэтому на системной плате должен быть расположен процессорный разъем (гнездо или слот), предназначенный для конкретного поколения процессоров. Микропроцессоры слогового типа обычно обозначаются как «Slot 1», «Slot 2» или «Slot 3». Процессоры гнездового типа обозначаются как «Socket 370» или «Socket A».
Рис. 5.5

Разъем Socket 462 на системной плате Soyo KT333 Dragon Ultra Platinum предназначен для процессоров AMD Athlon 2000+



Первые центральные микропроцессоры не были взаимозаменяемыми, и замена процессора влекла за собой замену системной платы. После появления процессоров Intel 486 стала популярной технология OverDrive-процессоров — замена установленного в компьютере процессора на другой совместимый по выводам процессор, работающий на более высокой тактовой частоте, что приводит к увеличению производительности компьютера. Из табл. 5.1 видно, что первые гнездовые разъемы использовали стандарт Socket 1, и были предназначены для ранних моделей процессоров 486SX и DX (процессорные разъемы гнездового типа показаны на рис. 5.5). По мере усовершенствования процессоров появлялись новые типы гнездовых разъемов с целью поддержки разных моделей совместимых процессоров. В современные системные платы можно устанавливать разные модели процессоров с различной тактовой частотой, используя один и тот же процессорный разъем (слот или гнездо).

В настоящее время самыми популярными являются разъемы Socket 478 для процессоров Intel и Socket А для процессоров AMD.

Процессорный разъем Socket 7 был наиболее популярным при использовании в недорогах компьютерах. Системные платы с разъемом Socket 7 поддерживают большинство процессоров класса Pentium (Intel Pentium, Intel Pentium MMX, AMD K5, AMD K6, AMD K6-2, Cyrix 6x68, Cyrix 6x86MX и Cyrix MX II). Системная плата с процессорным разъемом Socket 7 могла работать с разными процессорами класса Pentium без необходимости аппаратных модификаций, надо было лишь установить требуемую частоту системной шины и значение умножителя частоты. Именно эта универсальность процессорного разъема гнездового типа позволила продлить рабочую жизнь многим современным персональным компьютерам за счет установки на имеющуюся системную плату новой модели центрального микропроцессора с улучшенными характеристиками. В то время как для высокопроизводительных микропроцессоров фирм Intel и AMD используются фирменные процессорные разъемы (слоты и гнезда), разъем Socket 7 оставался популярным из-за своей универсальности. Эволюцию корпусов процессоров фирмы Intel можно проследить в журнале Intel Technology Journal (www.intel.com/technology/itj/q32000.htm).

Несмотря на то, что* некоторое время назад популярными были разъемы типа слот, в настоящее время все процессоры выпускаются в корпусах с разъемами гнездового типа. Все возрастающее количество контактов процессоров побуждает производителей максимально сокращать длину системных шин, что не оставляет,разъемам-слотам особых шансов в будущем. Да и по габаритам процессорные гнезда занимают гораздо меньше места, нежели чём картриджи для процессоров с разъемами типа слот.







Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Концепции современных процессоров компьютера", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2024 Дискета.info