Центральный процессор и система его охлаждения.

Центральный процессор (CPU, central processing unit)-это основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных и представляет собой, по существу, миниатюрную вычислительную машину, размещенную в одной сверхбольшой интегральной схеме. На одном кристалле сверхчистого кремния с помощью сложного, многоступенчатого и сверхточного процесса создано несколько миллионов транзисторов и других схемных элементов, соединительные провода и точки внешних выводов.

Вообще на системной плате выполняется два типа операций – обмен данными и вычисления. Вычислительной деятельностью занимается центральный процессор. Микропроцессор понимает только специальный машинный язык, в котором имеются лишь нули и единицы. Все программы, написанные на языках программирования высокого уровня, преобразуются в машинный язык посредством специальных программ-переводчиков – трансляторов и интерпретаторов.

Производительность процессора и определяющие её параметры.

Главная характеристика процессора — его производительность. Определяется она параметрами процессорного ядра, подсистемы памяти, процессорной шины. Быстродействие процессорного ядра определяется разрядностью, тактовой частотой и количеством операций, выполняемых за один такт. У подсистемы памяти, относящейся непосредственно к процессору и выполняющей роль кэша для внешней памяти, — эффективностью кэширования. У шины — пропускной способностью.

Разрядность показывает, сколько двоичных разрядов (битов) информации обрабатывается (или передается) за один такт, а также - сколько двоичных разрядов может быть использовано в процессоре для адресации оперативной памяти.

Чем больше разрядность процессора, тем более длинное слово (большая порция данных) обрабатывается за один такт. Это преимущество может быть использовано в программном обеспечении для повышения производительности. Большая длина слова дает и другое, не менее важное преимущество — большее адресное пространство для памяти. Так, 8-разрядный процессор имеет объем прямоадресуемой памяти 256 байт (28), 16-разрядный — 64 Кбайт (216), 32-разрядный — 4 Гбайт (232), 64_разрядный — 1,6Ч109 Гбайт (264).

Архитектура x86 прошла два этапа — 16-и 32-разрядный, и на данный момент начался третий этап ¾ 64-разрядная архитектура.

Тактоваячастота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор может выполнить в одну секунду, то есть чем выше тактовая частота вашего компьютера, тем быстрее он может работать. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц). Но следует помнить, что тактовая частота служит лишь относительным показателем производительности процессора, поскольку схемные различия приводят к тому, что в некоторых из них за один такт выполняется работа, на которую другие расходуют несколько тактов.

Увеличение тактовой частоты — это главный способ повышения производительности процессоров. В основном рост достигается за счет совершенствования техпроцесса (чем меньше размер транзистора, тем на более высокой частоте он способен работать). Но процессор включает в себя миллионы транзисторов, образующих сложные электронные схемы, увеличивающие задержки прохождения сигнала. Максимальное значение тактовой частоты в этом случае лимитируется уже схемными задержками. Минимизация схемных задержек осуществляется с помощью конвейерной архитектуры. Разбивая процесс обработки инструкций на небольшие стадии, можно упростить соответствующие схемы и уменьшить задержки. В конвейере происходит одновременное выполнение нескольких инструкций, находящихся на разных стадиях (с отставанием на шаг друг от друга). При этом, чем длиннее конвейер (чем больше у него стадий), тем меньшая работа делается за один такт и тем быстрее ее можно сделать. То есть для достижения максимально высоких тактовых частот надо увеличивать длину конвейера.

Количество операций за такт

 

Производительность процессора равна тактовой частоте, умноженной на количество выполняемых за такт операций (IPC — Instructions Per Cycle). Упомянутая выше конвейеризация представляет собой по сути распараллеливание выполнения инструкций по времени (с наложением). Теоретически, с помощью нее число выполняемых за такт операций доводится до единицы (на практике среднее значение IPC остается меньше единицы из-за неизбежных остановов конвейера).

Кэширование

 

Динамическая оперативная память по своему быстродействию очень сильно отстает от процессоров, почти на порядок (тактовые частоты процессоров — 2 ГГц, памяти — 200 МГц). Применение такой памяти без катастрофических последствий для производительности системы возможно только при иерархическом построении подсистемы памяти с использованием дополнительной быстродействующей памяти в качестве кэша. Для эффективного кэширования быстродействие кэша должно находиться на уровне процессора, а частота попаданий должна приближаться к 100 %.

Эффективность кэширования (частота попаданий) возрастает с ростом объема кэша; однако, чем больше объем кэша, тем больше проблем с получением необходимого уровня его быстродействия — можно получить быстродействующий кэш малого объема либо более медленный большого объема. Поэтому и для построения кэша применяется иерархическая структура, состоящая из кэша первого уровня (L1) с максимальным быстродействием и относительно небольшим объемом (8—128 Кбайт), кэша второго уровня (L2) с меньшим быстродействием, но большим объемом (обычно 256 или 512 Кбайт, иногда до нескольких мегабайт) и иногда кэша третьего уровня L3 (512 Кбайт и выше). Увеличение объема кэшей L2 и L3 является одним из основных способов повышения производительности процессоров (в формуле производительности вклад КЭШа учитывается в IPC).

Системная шина и шина памяти

Рассмотренные выше параметры определяют внутреннюю производительность процессора, то есть его способность обрабатывать за единицу времени какое-то количество информации. Внешняя производительность процессора, то есть скорость обмена данными с другими устройствами через внешнюю шину данных, должна соответствовать внутренней. Оценка сверху задается тактовой частотой и разрядностью процессора. Для процессора Pentium 4 с частотой 2 ГГц это 8 Гбайт/с. На практике, в силу технических проблем, связанных с невозможностью обеспечения устойчивой работы внешней параллельной шины на столь высоких частотах, ограничиваются меньшими значениями. Достаточно высокая скорость обмена достигается за счет использования более широкой внешней шины (64 разряда) и передачи нескольких порций информации за один такт работы шины. Физическая тактовая частота шины составляет 100 или 133 МГц. В процессоре Pentium 4 данные передаются 4 раза за такт, эффективная частота передачи составляет 400 или 533 МГц, а пропускная способность — 3,2 или 4,3 Гбайт/с. В процессоре Athlon XP данные передаются 2 раза за такт (по обоим фронтам). Эффективная скорость передачи составляет 200 или 266 МГц, а полоса пропускания — 1,6 или 2,1 Гбайт/с. С ростом частоты процессоров шина рано или поздно становится узким местом систем, поэтому необходимо периодически поднимать ее пропускную способность на новый уровень.

Общие характеристики процессоров

Сегментация процессоров

В силу огромного рынка именно процессоры для ПК находятся на острие как конкурентной борьбы, так и технического прогресса. Создаваемые для них базовые архитектурные решения служат основой для создания целой цепочки процессоров, охватывающей несколько сегментов рынка и простирающейся от ноутбуков через ПК к серверам и рабочим станциям. В каждом сегменте (мобильный, ПК, серверы/рабочие станции) решения могут дополнительно масштабироваться по уровням — от начального до высокопроизводительного. Соответствие моделей процессоров и сегментов рынка представлено в табл. 2.

Таблица 2

Сегмент рынка и модели процессоров производителей

Сегмент рынка	Intel	AMD
Модели процессоров
Производительные компьютеры и серверы начального уровня	Pentium 4 Extreme Edition, Pentium 4 с ядром Prescott	Athlon 64 FX
Рабочие станции	Pentium 4 с ядром Prescott и ядром Northwood	Athlon 64
Компьютеры начального уровня	Celeron D и Celeron	Sempron (Athlon XP)

Разъём для установки

 

Кроме характеристик производительности процессора, ещё одной очень важной характеристикой процессора является разъём для установки на материнской плате. Он меняется в зависимости от фирмы производителя процессора и времени выпуска. В данный момент происходит переход у производителей с одних разъёмов к другим. Так компания Intel сейчас производит перевод своих процессоров из гнезда Socket 478 в Разъём LGA 775. В Socket 478 останутся только устаревшие процессоры и процессоры нижней ценовой категории начального уровня производительности. Компания AMD для производительных компьютеров и серверов начального уровня определяет Socket 939, для рабочих станций ¾ Socket 939 и Socket 754, а для компьютеров начального уровня ¾ Socket 754 и Socket A (462).

Характеристики современных процессоров представлены в табл 3.

Таблица 3

Характеристики некоторых современных процессоров

	Intel Pentium 4	Intel Pentium 4	Intel Celeron	AMD Athlon 64	AMD Athlon XP
Процессорное ядро	Prescott	Northwood	Northwood	ClawHammer, Newcastle	Barton
Процессорное гнездо	Socket 478 / 775	Socket 754 / 939	Socket A
Частота ядра, ГГц	До 3,4	До 3,4	До 3,4	1,8—2,2	До 2,2
Число транзисторов, млн шт.				105,9	54,3
Площадь ядра, мм^2
Кэш данных L1, Кбайт
Кэш L2, Кбайт