Процессор

Типы процессоров
Производительность
Дополнительные сведения о работе центрального процессора
Вентиляция
Установка
Сопроцессор
Овердрайв
Разгон процессора

Центральный процессор, далее процессор, является одним из главных компонентов компьютера. Часто его называют ЦПУ или CPU (Central Processor Unit - Центральное Процессорное Устройство), а также кристалл, камень, хост-процессор. Именно он выполняет все основные вычисления. И чем мощнее процессор, тем быстрее работает компьютер.

Современные персональные компьютеры используют, как правило, определенный алгоритм обработки данных, называемый архитектурой Фон Неймана, когда инструкции и сами данные хранятся в одной памяти, а сам процесс обработки построен на циклической последовательной обработке данных. Правда, именно последовательность обработки является узким местом такой архитектуры, так как любое данное должно последовательно пройти через процессор, хотя само вычисление может быть однотипным.

Из иных алгоритмов назовем Гарвардскую архитектуру, когда данные и программный код используют разную память. Однако в этом случае сложно использовать методы программирования, когда нужно поменять код в процессе выполнения программы, нельзя оперативно перераспределять память и т.д. Используется в встраиваемых компьютерах. Другой алгоритм, параллельный, применяется в суперкомпьютерах для ускорения процесса вычисления.

Существуют следующие основные характеристики центрального процессора: тактовая частота, количество ядер, установленная кэш память, вид оперативной памяти, с которой работает процессор, сокет (разъем) и частота системной шины.

Тактовая частота определяет, на какой частоте работает центральный процессор. За один такт может выполняться несколько операций. Чем выше частота, тем быстрее работает компьютер. В 90х годах и в начале 2000х основной фактор увеличения производительности компьютера было увеличение тактовой частоты. Однако со временем оказалось, что существует физический предел увеличения тактовой частоты. Современные производительные процессоры выпускаются с тактовыми частотами от 1.8 до 4 Мгц (2 Мгц обозначает, что за секунду происходит 2 миллиона колебаний, во время которых происходит работа процессора). Бюджетные варианты имеют меньшую частоту, которая меньше указанной выше.

Поэтому высокопроизводительные процессоры стали выпускаться с несколькими конвейерами, потом ядрами. Каждое ядро практически представляет собой отдельный процессор. Чем больше ядер, тем быстрее работает компьютер. Конвейер это промежуточное звено между одноядерным и многоядерным процессором. На компьютере обычно работает несколько задач, например, операционная система, антивирусная программа, браузер и прочее. Если каждая из них будет работать на своем ядре, то они будут работать параллельно друг с другом. Можно распараллелить и обычную программу, но производители математического обеспечения пока еще редко это делают. Но уже появляются первые программы, которые могут работать с несколькими ядрами одновременно, например, Photoshop.

Данные для работы процессора поступают из оперативной памяти, но в силу того, что память медленнее, чем процессор, то процессор может часто простаивать. Чтобы этого не оказалось, между центральным процессором и оперативной памятью располагают кэш память, которая более быстрая, чем оперативная память. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш память и затем в центральный процессор. Когда процессор требует следующее данное, то, если оно имеется в кэш памяти, то берется из него, а если нет, то происходит обращение к оперативной памяти. Дело в том, что программы имеют свойство работать последовательно, выполняя одну команду за другой или производя операции в цикле. Если выполняется цикл, то данные для работы цикла могут находиться в кэше и обращение к оперативной памяти минимально. Если программа выполняется последовательно одна команда за другой, то когда одна команда выполняется, то коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно убыстряет работу, так как ожидание центрального процессора сокращается.

Существует несколько видов кэш памяти. Самая быстрая кэш память 1го уровня, которая находится в ядре процессора. В силу того, что она находится в ядре, то она небольшая по размерам, потому что увеличение объема приводит к сложности процессора. Объем ее составляет от 8 до 128 килобайт.

Следующая кэш память 2го уровня находится также в процессоре, но не в ядре. Она более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память первого уровня. Размер ее может быть от 128 килобайт до нескольких мегабайт.

Существует кэш память 3го уровня, которая более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память второго уровня.

Чем больше объем этих видов памяти, тем лучше, тем быстрее работает процессор и соответственно компьютер.

Как видно из сказанного выше, чем быстрее работает оперативная память, тем лучше. Поэтому следует знать, какуюпамять поддерживает процессор. Он может поддерживать память типа DDR, DDR2, DDR3. Эти виды памяти не совместимы друг с другом. DDR3 работает быстрее, чем DDR2, DDR2 работает быстрее чем DDR.

Следующей характеристикой является сокет (или разъем), в который вставляется центральный процессор. Если процессор предназначен для определенного вида сокета, например, Socket 478, то его нельзя установить в Socket 479. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для центрального процессора и он должен соответствовать типу процессора.

Также основной характеристикой является частота системной шины. Чем больше частота системной шины, тем больше данных передается за отрезок времени. За один такт можно передать для старых компьютеров один бит, для современных несколько. Имеется другой показатель – пропускная способность шины. Он равен частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за один такт. Если частота системной шины равна 100 Мгц, а за один такт передается два бита, то пропускная способность будет 200 Мбит/сек. Если можно передать за один такт 8 бит, то пропускная способность равна 800 Мбит/сек. Ясно, что быстродействие во втором случае будет выше, несмотря на то, что частота системной шины осталась одна и та же. В настоящее время пропускная способность шины начинает исчисляться в гигабитах (или в десятках гигабитов) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше.

Существуют и другие показатели, которые убыстряют работу центрального процессора. Первые компьютеры имели центральный процессор, который работал только с целыми числами. Для того, чтобы выполнить операции с числами с плавающей точкой, нужны были подпрограммы. Со временем стали производить сопроцессор с плавающей точкой, который был специализирован для выполнения арифметических действий. Так как операции с целыми числами занимают основное время процессора (в силу их большого количества), то сопроцессор часто не устанавливали. Сопроцессор требовался практически только для научных и инженерных вычислений. На материнской плате было два разъема: один для установки процессора, который работал с целыми числами и разъем для работы сопроцессора, выполняющего операции с плавающей точкой (форматы чисел приведены в описании программирования на языке Basic).

Со временем сопроцессор стали устанавливать вместе с процессором (в середине 90х годов) в один корпус. Так как сопроцессор большее время находился в ожидании, то решено было использовать его для дополнительных команд. Так появился набор команд ММХ, который содержал 57 новых команд. Так как процессор работы с плавающими числами имел разрядность в 64 бит, то команда ММХ упаковывал несколько данных в одну команду, размером в 64 бит (данные могут иметь размер в 2, 4, 8 байт). Затем выполняется одна команда. Если бы эти действия выполнял процессор, работающий с целыми числами, то ему бы пришлось выполнять несколько команд, меньших по размеру, чем 64 бит.

Программа определяла, работает ли процессор с командами ММХ, и в зависимости от ответа выполнялась часть программы либо с командами ММХ (что ускоряло работу), либо без них. Если программа не имела возможность работы с командами ММХ, то работал целочисленный процессор. Применение данных команд позволило увеличить производительность до 60 % (на задачах, которые требуют ММХ).

Почему в основном выполняются целочисленные операции? Дело в том, что основной объем операций на компьютере занимают операции с видео (графикой) и звуком. Эти программы используют целые числа. Так, описание изображения на экране можно представить как матрицу значений цвета каждого пикселя, а это целое число. Если нужно наложить одно изображение на другое, то опять-таки используются целые числа. Основные операции – это логические операции (логический и арифметический сдвиги, операции и, или, исключающее или и пр.), операции сравнения, и сдвиговые операции. Конечно, многие операции по обработке видео выполняет видеопроцессор, но он не всегда справляется с этой задачей. Поэтому введение команд ММХ увеличивает производительность компьютера.

Компания AMD продолжила развитие данного набора, введя набор 3DNow!, используя новые 21 команду.

Через год компанией Intel был введен новый набор данных: SSE (Streaming SIMD Enhanced - потоковое SIMD-расширение, где SIMD - Single Instruction, Multiple Data - одна инструкция — множество данных). Такие команды уже были 128-битные, появились новые команды и восемь новых регистров для инструкций ММХ. До этого для команд ММХ использовались регистры процессора с плавающей точкой. Добавилось 70 новых команд: пересылки, арифметические, команды сравнения, распаковки, преобразования типов и логические операции. Данный набор начал использоваться в процессорах Pentium III.

SSE2 был разработан, чтобы вытеснить набор ММХ, начал использоваться в процессорах Pentium IV и расширил количество команд до 144.

SSE3 был представлен в 2004 году компанией Intel и вводил 13 новых команд. В частности была добавлена команда для преобразования числа с плавающей точкой в целое и сложения и вычитания нескольких значений, что упростило ряд 3Dопераций.

SSE4 был представлен в 2006 году и состоит из 54 новых команд (47 относятся к SSE4.1, 7 к SSE4.2). Новые команды позволяли ускорить работу по компенсации движения в видео, векторизации программ и пр.

Кроме этих, имеются и другие наборы: Extended MMX или ЕММI (Extended Multi-Media Instructions –расширенные мульти-медиа инструкции) введенный компанией Cyrix для процессоров серии 686, 3DNow! Extended компанией AMD, которые устанавливаются на процессоры, начиная с Athlon, SSSE3 с новыми 16 командами, которые работают в Intel Core 2 и Xeon,AVX появившихся в 2008 году и имеющих новые команды длиной 256 бит.

Имеются и другие виды усовершенствования работы процессоров. Каждая из улучшает работу компьютера, и эти улучшения вводятся в новые типы процессоров. Первые компьютеры выполняли одну операцию за несколько тактов. Современные за один такт выполняют несколько операций. То есть, от поколения процессоров к следующему поколению улучшается структура процессора и не всегда эти улучшения имеют свое название или имеют название, которое интересно только специалистам.

Сказать как именно и на сколько процентов изменения улучшают работу очень трудно, так как имеется много видов программ. Некоторые требуют больше операций ввода-вывода с жестких дисков, некоторые имеют один вид преобладающих операций, другие обладают иными возможностями, поэтому когда сравнивают процессоры, то их тестируют на разных видах программ, например, графических, игровых и т.д. и потом усредняют по определенным критериям. Кроме того, имеет большое значение, какие другие устройства (материнская плата, в том числе чипсет, видеоподсистема и пр.) установлены на тестируемом компьютере, что может давать разницу в несколько десятков процентов. Некоторые вопросы сравнения процессоров рассмотрим ниже.

В этой главе будут рассматриваться процессоры серии х86, основанные на принципах работы моделей компаний Intel, AMD, Cyrix и других, функционирующих в персональных компьютерах. Так как эти процессоры имеют сходные характеристики, то они рассматриваются на основе процессоров компании Intel, которая до сих пор занимает лидирующие позиции в разработке и производстве центральных процессоров.

Под словом процессор будем понимать центральный процессор, который, как вытекает из названия, является основным в компьютере. Он производит основные вычисления и управляет работой системной шины по передаче данных между различными устройствами компьютера. Каждый процессор новой версии может обрабатывать те же программы, с которыми работал старый процессор, а после установки процессора не требуется использования драйверов и нового математического обеспечения.

Типы процессоров. Основной компанией, которая выпускает центральные процессоры для персональных компьютеров, является компания Intel. Практически все персональные компьютеры начинают отсчет времени с появления первого процессора 8086. И хотя в то время выпускались и другие виды процессоров, именно эта модель стала завоевывать популярность как среди производителей устройств для них, так и среди пользователей. В качестве примера можно привести компьютер компании Apple, который имеет несколько иную модель процессора и не получила такого широкого распространения в силу ее закрытой системы.

Следующая модель называлась 80286, затем 80386, со временем цифра 80 стали опускать и процессоры стали называть тремя цифрами: 286, 386, 486. Поэтому часто поколение разработанных процессоров называют семейством х86. В настоящее время выпускаются и другие модели процессоров, например, семейства Alpha, Power PC и другие, но они не используются в тех компьютерах, которые рассматриваются в этой книге, хотя некоторые из них могут выполнять прикладные задачи, например, с использованием Windows NT.

Первые модели центрального процессора Intel помогала внедрить другим компаниям, в том числе и AMD, что способствовало распространению центральных процессоров семейства х86. Чтобы использовать 386 процессор, компания AMD добилась через суд разрешения на клонирование (то есть копирование) этого типа, но ей было запрещено использовать разработки компании Intel в следующих поколениях процессоров. Поэтому AMD стала разрабатывать следующие модели процессоров собственными силами и некоторые модели были довольно удачными, например, 486 с тактовой частотой 133 Мгц. Со временем обе компании стали разрабатывать новые виды и копировать удачные решения друг у друга. Для упрочения своих позиций компании создают новые возможности, так, компания AMD разработала систему 3DNow!, и хотя компания Intel до сих пор занимает лидирующие позиции в производстве центральных процессоров, рынок дешевых компьютеров постепенно в течение нескольких последних лет переходит к другим компаниям. В ходе этого состязания продукция компаний дешевеет и процессоры становятся все производительнее, а падение цен на процессоры происходит несколько раз в год, что выгодно потребителям.