по информатике “Процессор” - реферат

Реферат по информатике

“Процессор”

Работу выполнил

Гулаков Филипп

Работу проверила

Куянцева Л.М.

п. Дружба 2007г

Содержание

Содержание ___________ 1
Введение ____________2
Процессор __________3
Тактовая частота, Системная шина, Коэффициент умножения _________4 - 5
Тип ядра и технологии производства_________6
Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron __________ 7
Процессоры фирмы AMD их недостатки____________8

Введение

Я в этом реферате расскажу о том, что такое микро процессор, историю создания микро процессора, для чего он нужен, чем процессор одной фирмы отличается от другой.

Процессор

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хопфом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов…Изначально процессор 4004 предназначался для… микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К счастью, фирма эта обанкротилась, и в результате разработка перешла в собственность Intel. C этого момента и началась эпоха персональных компьютеров. Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя в более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полётом космического корабля «Аполлон» к Луне. На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря его ещё называют «камень»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Функции процессора:

Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

Программное управление работой устройств компьютера

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора

Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая. Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

2. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Тактовая частота.

Скорость работы – конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Говоря о скорости процессора, подразумевается его тактовая частота. Это величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды. Тактовая частота обознается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-2400, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 2400 МГц или 2.4 ГГц).

Тактовая частота – бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron, Athlon и Pentium 4 на одной и той же частоте работают… с разной скоростью?

Здесь вступают в силу новые факторы.

Разрядность процессора

Разрядность – максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

До недавнего времени все процессоры были 32-битными (32-разрядными) эта разрядность была достигнута уже 10-ток лет назад. Долгое время не могли увеличить разрядность и за того что программы были адоптированы под старую 32-разрядную платформу. А поскольку покупатель смотрит в первую очередь на тактовую чистоту изготовители просто не видели нужды в таком переходе. Компания AMD выпустила в 2003 г. Первый 64-разрядный процессор Athlon 64.

Intel держался до последнего вплоть до 2005 г. Все процессоры Pentium 4 были по-прежнему 32-разрядными. Лишь в середине года когда на рынке появился новые модели процессора Pentium 4 серии 6xx вних в первые была встроена поддержка 64-разрядных инструкций.

Тип ядра и технологии производства

Ядром называют сам процессорный кристалл, ту часть, которая непосредственно является "процессором". Сам кристалл у современных моделей имеет небольшие размеры, а размеры готового процессора увеличиваются очень сильно за счет его корпусировки и разводки. Процессорный кристалл можно увидеть, например, у процессоров Athlon, у них он не закрыт. У P4 вся верхняя часть скрыта под теплорассеивателем (который так же выполняет защитную функцию, сам по себе кристалл не так уж прочен). Процессоры, основанные на разных ядрах, это можно сказать разные процессоры, они могут отличаться по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. п. В большинстве случаев, чем новее ядро, тем лучше процессор. В качестве примера можно привести P4, существуют два ядра - Willamette и Northwood. Первое ядро производилось по 0.18мкм технологии и работало исключительно на 400Mhz шине. Самые младшие модели имели частоту 1.3Ghz, максимальные частоты для ядра находились немного выше 2,2Ghz. Позже был выпущен Northwood. Он уже был выполнен по 0.13мкм технологии и поддерживал шину в 400 и 533Mhz, а также имел увеличенный объём кэш памяти. Переход на новое ядро позволил значительно увеличить производительность и максимальную частоту работы. Младшие процессоры Northwood прекрасно разгоняются, но фактически разгонный потенциал этих процессоров основан на более "тонком" техпроцессе.

Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron

Процессор Celeron является бюджетной (урезанной) версией соответствующего (более производительного, но и значительно более дорогого) main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них по сравнению с соответствующими "родителями" понижена частота системной шины. У процессоров Duron по сравнению с Athlon в 4 раза меньше кэш памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и "полноценные" Athlon c FSB 200MHz. В ближайшее время Duron'ы на ядре Morgan совсем пропадут из продажи - их производство уже достаточно давно свернуто. Их должны заменить Duron на ядре Applebred, являющие собой ни что иное, как урезанные по кэшу AthlonXP Thoroughbred. Так же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Основные характеристики процессоров можно посмотреть в таблице в конце реферата. Есть задачи, в которых между обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении с неурезанным процессором той же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют тенденцию лучше разгоняться из-за меньшего объёма кэш памяти и стоят при этом дешевле. Короче говоря, если разница в цене между нормальным и урезанным процессором значительная, то стоит брать урезанный. Хотя здесь необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными P4 - отставание в некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров Celeron D,в которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычных Celeron) и отставание уже не такое страшное.

Процессоры AMD

Во-первых, у AXP (и Athlon 64) вместо частоты пишется рейтинг, т. е. например 2000+ процессор реально работает на частоте 1667Mhz, но по эффективности работы он соответствует Athlon (Thunderbird) 2000Mhz. Основным недостатком недавно считалась температура. Но последние модели (на ядрах Thoroughbred, Barton и т. д.) по тепловыделению сравнимы Pentium 4, ну а самые последние, на момент написания реферата, модели от Intel (P4 Extreme Edition) греются иногда и значительно больше. По надёжности процессоры теперь тоже не сильно уступают P4, они хоть и не могут пропускать такты (работать "вхолостую") при перегреве, но обзавелись встроенным термодатчиком (он хоть и появился ещё в ядре Palomino, но совсем немногие современные материнские платы умеют снимать показания с этого термодатчика). Тут следует заметить, что Athlon XP на ядре Barton обзавелись похожей функцией BusDisconnect - она "отключает" процессор от шины во время холостых тактов (простоя), но она фактически бессильна при перегреве от повышенной нагрузки - тут вся "ответственность" перекладывается на термоконтроль материнской платы. "Крепкость" кристалла (максимально допустимые пределы давления) хоть и повысилась, но из-за уменьшенной площади ядра фактически осталась прежней. Поэтому вероятность сгорания/повреждения кристалла хоть и стала меньше, но существует. А вот у Athlon 64 процессорный кристалл наконец-то был спрятан под теплорассеивателем (heat spreader), поэтому его повредить будет чрезвычайно сложно. Все "глюки" приписываемые AMD часто являются следствием неустановленных или неправильно установленных универсальных драйверов для чипсетов VIA (VIA 4 in 1 Service Pack) или драйверов чипcетов других производителей (AMD, SIS, ALi). Работают процессоры Atholn XP и Pentium 4 в разных приложениях очень по-разному. Например, в сложных математических вычислениях (3D моделирование, специализированные математические пакеты), архивации, кодировании в MPEG4, P4 часто "обыгрывает" AXP. Но есть и ряд программ, лучше работающих с AXP. В основном это - игры. Для обычного пользователя (играющего в игры) стоит ориентироваться именно на них, так как перекодировка в любом случае требует много времени, а играм, наоборот, необходимо провести все вычисления как можно быстрее. Уже выпущены процессоры AXP Barton с 400Mhz шиной и принципиально новые гибридные (32-х и 64-х битный процессор "в одном флаконе") K8.

Насколько хороши процессоры VIA C3?

Единственным их достоинством являются низкое тепловыделение. Рассеиваемая мощность у них 5-20 Ватт против 40-60 (в среднем) у AXP и P4. C3 совместимы с устаревшим (по мнению Intel) Socket 370, хотя не со всеми платами, например для нового ядра Nehemiah требуется поддержка Tualatin'а со стороны платы. По скорости они очень сильно уступают (до 50%, иногда даже больше) аналогичным по частоте процессорам Intel и AMD. Даже некоторые усовершенствования вроде поддержки SSE им ничего особо не дали. В продаже данных процессоров почти нет и я ничуть об этом не сожалею :). В случае если вам нужна тихая машина (такому процессору часто достаточно только радиатора), а скорость не важна, то можно взять. Теоретически они должны бы разгоняться неплохо (технология изготовления достаточно прогрессивная), но на практике этого не наблюдается - сказывается малый "запас прочности" и неэффективная проектировка ядра.

Hyper Threading.

Данная технология предназначена для увеличения эффективности работы процессора. По оценкам Intel, большую часть времени работает всего 30% всех исполнительных устройств в процессоре. Поэтому возникла идея каким-то образом использовать и остальные 70% (как вы уже знаете, Pentium 4, в котором применяют эту технологию, отнюдь не страдает от избыточной производительности на мегагерц). Суть Hyper Threading состоит в том, что во время исполнения одной "нити" программы, простаивающие исполнительные устройства могут перейти на исполнение другой "нити" программы. Т. е. получается нечто вроде разделение одного физического процессора на два виртуальных. Возможны и ситуации, когда попытки одновременного исполнения нескольких "нитей" приведут к ощутимому падению производительности. Например, из-за того, что размер кэша L2 довольно мал, а активные "нити" будут пытаться загрузить кэш. Возможна ситуация, когда борьба за кэш приведет к постоянной очистке и перезагрузке данных в нем (следовательно, будет падать скорость). Для использования данной технологии просто одного процессора с поддержкой Hyper Threading недостаточно, нужна поддержка со стороны материнской платы (чипсета). Очень важно помнить, что пока наблюдается отсутствие нормальной поддержки этой технологии со стороны операционных систем и, самое главное, необходимость перекомпиляции, а в некоторых случаях и смены алгоритма, приложений, чтобы они в полной мере смогли воспользоваться Hyper Threading. Тесты это доказывают, часто прироста в скорости нет, иногда наблюдается даже некоторое падение производительности. Хотя есть уже ряд приложений, в которых благодаря оптимизациям под HT есть сильный прирост в скорости. Посмотрим, что будет дальше.

Недавно появились новые процессоры семейства K8 и "в ответ" вышел P4

Extreme Edition (EE), что о них можно сказать?

P4 EE это по сути дела серверная версия P4 (Xeon на ядре Gallatin, "упакованный" в mPGA478), обладает всеми преимуществами обычных P4 с 800Mhz FSB, плюс к тому 2Mb кэша L3. Athlon 64 поддерживает 32/64-битные вычисления, имеет 1Mb L2 кэша, поддердку SSE2, встроенный контроллер поначалу одноканальной, позднее двухканальной DDR400 и 200MHz реальную частоту FSB. Отметим, что частота FSB в Athlon 64 системах имеет чисто формальное значение: фактически, это просто частота сигнала, относительно которого происходит вычисление рабочей частоты CPU и остальных компонентов системы. Athlon 64 FX произошел от серверного процессора Operton, а от Athlon 64 он отличается тем, что оборудован двухканальным контроллером буферизованной (registred) DDR400. Общая тенденция такая – Athlon 64 3200+ проигрывает P4 3200Mhz порядка 5% по производительности в среднем, хотя здесь следует учесть, что реальная частота процессора составляет порядка 2Ghz, получается, что процессор на 2Ghz с лихвой тягается с процессором на 3.2Ghz! Топовые на данный момент процессоры P4 EE и Athlon 64 FX идут вровень, если усреднить результаты тестов. А если сравнивать Athlon 64 3200+ c обычным Athlon 3200+, то первый почти всегда (за исключением кодирования mp3 :) ) быстрей на 10-40%. А теперь немного по поводу 64-х битности. На данный момент проку от её поддержки у Athlon 64 практически нет, реальных приложений, пригодных для использования обычными пользователями, почти нет. Microsoft вот-вот выпустит 64-х битную ОС, подходящую для обычных пользователей. Существующий 64-х битный Linux в данном случае не подходит. Самое неприятное, что все приложения также потребуют доработки для использования всей "мощи" новых процессоров.