Процессор

Процессор – специальная микросхема, которая выполняет операции по обработке информации в компьютере.

На небольшой кремниевой пластине размещены сотни миллионов транзисторов-переключателей и каналов передачи данных. Кроме центрального процессора (CPU) в современных компьютерах значительную роль играет процессор видеокарты, который занимается обработкой видеоинформации. В 2010 году при переходе на 32 нм технологию корпорация Intel разместила в одном корпусе центрального процессора также вторую микросхему – видеоядро HD Graphics (GPU), в последующем совместив их на одном чипе.

Простейшая принципиальная схема микропроцессора Intel представлена на рисунке 2.2 (по данным фирмы Intel).

Рисунок 2.2. Принципиальная схема процессора по данным фирмы Intel

Принцип работы центрального процессора можно представить следующим образом. Информация для обработки под управлением блока предварительной выборки поступает из системной памяти через блок шины в кэш данных процессора, команды обработки информации – в командную кэш-память. Блок декодировки раскодирует команды, преобразуя их в двоичный код, который пересылается в управляющий блок и в кэш данных, давая им указание о том, как с полученной командой поступать дальше. Арифметическое логическое устройство выполняет готовые к исполнению команды и заносит результаты в блок регистров. Далее содержимое регистров передается в системную память или на внешние устройства.

Скорость работы процессора зависит в настоящее время, прежде всего от типа и архитектуры процессора, а также от его тактовой частоты и объема кэш-памяти. Процессоры Intel Pentium и Core используют технологию конвейерной обработки данных, в результате чего за один такт выполняется несколько машинных операций. Многоядерные процессоры позволяют увеличить производительность ПК за счет одновременного выполнения нескольких программ пользователя на разных ядрах или выполнения одной программы на нескольких ядрах, если она предусматривает параллельную многопроцессорную обработку данных. Скорость обработки информации процессором может также лимитироваться скоростью поступления этой информации из оперативной памяти.

Процессоры выпускаются различными фирмами, для различных типов компьютеров и для другой электроники. Так, фирма Intel выпускает процессоры не только для настольных ПК, но и для ноутбуков, серверов, коммуникаторов и другого оборудования (см. таблицу 2.1). Другой наиболее известный производитель – фирма AMD.

Таблица 2.1. Процессоры фирмы Intel различного назначения

Для настольных ПК	Для ноутбуков и КПК	Для серверов	Сетевые	Ввода/ вывода
CoreTM i7	CoreTM i3 - i7	Itanium®	IXP465	IOP348
CoreTM i5	AtomTM	Xeon® E7	IXP460	IOP342
CoreTM i3	Pentium®	Xeon® E5	IXP455	IOP341
Pentium® G		Xeon® E3	IXP435	IOP340

В 1990 году прогнозировалось – тактовая частота процессора Intel возрастёт к 2000 году до 900 Мгц, количество транзисторов в нём – до 40 млн. штук, к 2005 году – 10 Ггц, 1 млрд. транзисторов. Однако в 2005 г. стало ясно, что прогресс пошел другим путем – развитием многоядерных процессоров без увеличения их рабочей частоты и количества транзисторов на чипе (но с увеличением частоты системной шины и с поддержкой 64-разрядных вычислений и памяти).

Графики реального увеличения тактовой частоты процессора и количества транзисторов в нем с момента их появления по сегодняшний день приведены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Графики изменения тактовой частоты (1) и количества транзисторов (2) в процессорах фирмы Intel

Некоторое снижение тактовой частоты и уменьшение числа транзисторов в 2005 – 2006 годах было вызвано появлением двухъядерных процессоров Core Duo и Core 2 Duo, а позднее четырехъядерного Core Quad, суммарная производительность двух или четырех ядер которых выше, чем одноядерных процессоров с более высокой тактовой частотой.

Историю развития ПК можно проследить по основным этапам раз- вития процессоров фирмы Intel.

Полную таблицу выпускаемых этой фирмой процессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов можно посмотреть на сайте фирмы Intel.

Процессор Pentium 4, преобладал на рынке почти 6 лет (с 2000 по 2005 год). На смену ему пришли многоядерные процессоры: двухъядерный Core 2 Duo, двухъядерные четырехпоточные Core i3 и Core i5 1-го поколения и четырехъядерные Core i5 2 и 3-го поколений, четырехъядерный восьмипоточный Core i7. В дальнейшем планируется выпуск процессоров для обычных ПК с еще большим количеством ядер.

В конце 2008 г. Intel представила четырехъядерные восьмипоточные процессоры Core i7 на микроархитектуре Nehalem cо встроенным контроллером памяти (выпускается в корпусе LGA1366). Пропускная способность шины памяти компьютеров с процессорами Intel Core i7 выросла более чем в два раза по сравнению с процессорами Intel серии Extreme благодаря новому интерфейсу Intel QuickPath Interconnect (Intel® QPI), заменившему привычную системную шину FSB (Front-Side Bus, см. далее в разделе 2.2).

В 2010 году произошел переход на 32-нм технологию для процессоров Core i7, Core i5, Core i3 и Pentium G6950 архитектуры Clarkdale (с интегрированными на одном кристалле контроллерами памяти и видеоподсистемой), в 2012 году – на 22-нм технологию (см. полную информацию по процессорам Core i5 на сайте).

Эволюционный ряд процессоров Pentium и Core показан на рисунке

В двухъядерных и четырехъядерных процессорах Intel используются все новейшие технологии Intel, обеспечивающие экстремальную производительность, например, для Core i5:

• Технология Intel® Turbo Boost – максимально повышает производи тельность ресурсоемких приложений, динамически увеличивая производительность в соответствии с нагрузкой.
• Технология Intel® Virtualization (Intel® VT) – управление эффективной и масштабируемой виртуальной инфраструктурой, с сохранением оптимальной производительности при низких затратах.
• Технология Intel® Enhanced Speedstep – управления энергопотреблением процессора в зависимости от нагрузки.
• Функция Execute Disable Bit позволяет процессору выделять области памяти, где допускается выполнение кода приложений, и где оно не допускается. Когда вредоносная программа-червь пытается установить свой код в буфер памяти, процессор отключает выполнение кода.
• Архитектура Intel 64 – обеспечивает поддержку 64-разрядных вычислений, предоставляет процессору доступ к большему объёму памяти
• Технология Intel® Hyper-Threading – обеспечивает обработку 2 потоков команд каждым физическим ядром, повышая общую пропускную способность процессора до 4 потоков. Она позволяет каждому ядру процессора одновременно выполнять две задачи.
• Технология Intel® Smart Cache – использование общей кэш-памяти процессора 2 уровня, которая динамически распределяется между ядрами в зависимости от нагрузки..
• Интегрированный контроллер памяти поддерживает 2 канала памяти DDR3 1333 МГц.
• Графическая система Intel® Graphics Media Accelerator HD, расположенная в одном корпусе с процессором, обеспечивает высокое качество воспроизведения видео HD и графики в трехмерных играх без необходимости использования дополнительных видеокарт или декодеров. Графическое ядро HD Graphics оснащено 14 исполнительными блоками (14 EU, Execution Units) с потоковыми процессорами Intel 3-го поколения.

Блок-схема процессоров семейства Clarkdale (Core i5, i3, Pentium G6950) показана на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Блок-схема процессоров семейства Clarkdale

Начиная с Core, в модельном ряду Intel произошло изменение способа нумерации процессоров. Если раньше использовались трехцифровые обозначения, то теперь модельный номер представляет собой комбинацию из пяти символов – одной буквы и четырёх цифр. Например: Core 2 Duo E6700, Core 2 Quad Q6600 (у экстремальных процессоров добавляется еще одна буква Х: Core2 Extreme quad-core QX6800).

Первая буква символизирует энергопотребление/тепловыделение и, таким образом, тип процессора. (например, E – более 50 Вт, процессор для настольных ПК). Четыре цифры после буквы показывают производительность в пределах одной линейки.

У процессоров Core i7, Core i5 и Core i3 первого поколения использовалось трехцифровое обозначение, у 2-го и 3-го поколений добавились первые цифры 2 и 3 соответственно.

В рамках каждого класса или семейства процессоров больший номер соответствует большему количеству различных функций, в том числе: объем кэш-памяти, тактовая частота, частота системной шины, поддержка новых технологий, новых команд и пр.