ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ ЭВМ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ

Определение процессора и сравнительная характеристика различных типов цифровых интегральных схем

Определение и типы процессоров

Процессор (центральный процессор) — основной элемент ЭВМ. По конструктивному исполнению можно выделить два типа процессоров: процессор на печатной плате и процессор на кристалле (микропроцессор). В настоящее время в большинстве ЭВМ центральный процессор является микропроцессором.

Определение микропроцессора

Микропроцессор — это универсальное программно-управляемое устройство цифровой электроники, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровых двоичных данных в соответствии с программой, хранящейся в запоминающем устройстве, и реализованное в виде одной или нескольких интегральных схем.

Первый микропроцессор, Intel 4004, разработали в 1971 году сотрудники корпорации Intel: Маршиан Эдвард Хофф (Тед Хофф, Ted Hoff), Федерико Фаджин (Federico Faggin) и Стен Мейзор (Stan Mazor). Их имена внесены в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США, а изобретение микропроцессора признано одним из величайших достижений двадцатого века.

Цифровой электронный элемент как черный ящик

Для лучшего понимания определения микропроцессора сравним его с другими устройствами цифровой электроники в терминах одного из основных понятий теории управления — черного ящика. Элемент цифровой электроники представляет для пользователя как раз такой черный ящик, который принимает цифровые двоичные сигналы на входе, осуществляет их преобразование и выдает на выходе.

Элементы комбинационной логики

Первую группу составляют логические элементы (НЕ, И, НЕ-И (И-НЕ), ИЛИ, НЕ-ИЛИ (ИЛИ-НЕ), исключительное ИЛИ), шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры. Входные сигналы представляют собой некоторые данные, преобразуемые в соответствии с определенной логической функцией в выходные данные. В каждый момент времени выходные данные зависят только от текущих входных данных. Какая-либо зависимость от предшествующих значений входных данных отсутствует. Поэтому элементы этой группы называются элементами комбинационной логики.

В составе группы элементов комбинационной логики выделяются шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры. Отличие их от логических элементов состоит в нарушении однородности входных данных. У мультиплексоров и демультиплексоров есть собственно данные, и есть управляющая информация, представляющая собой номер подключаемого на входе или выходе канала. Такая же картина может быть и у дешифратора. Вообще, эти устройства можно объединить в одном изделии. Одна из популярных микросхем К155ИД4 представляет собой сдвоенный демультиплексор-дешифратор.

Однако у всех элементов комбинационной логики отсутствует то, что называется внутренним состоянием или памятью.

Элементы последовательностной логики

Элементы, обладающие внутренним состоянием (памятью), относятся к группе последовательностной логики. В нее входят триггеры, счетчики и регистры. Триггер можно реализовать на двух элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ, если выходы каждого из них подключить к одному из входов другого элемента. Это удивительный факт, память появляется практически ниоткуда, благодаря исключительно обратной связи. Никаких новых элементов, отсутствующих в устройствах комбинационной логики, в них нет. Есть только новые связи. Поскольку у таких устройств появляется внутреннее состояние, то появляется и новый тип входов — предустановка (установка в определенное начальное состояние). Другой тип входа, который появляется у этих устройств — тактовый сигнал. Он необходим для синхронизации изменения состояния устройства с некоторыми дискретными моментами времени, которые задает генератор тактовых сигналов (в совокупности с таймером). Таким образом, тактовый синхросигнал — это не что иное, как привнесение в систему дискретного времени, это "стук сердца".

Микропроцессор как самый сложный элемент цифровой электроники

Самым сложным в ряду устройств цифровой электроники является микропроцессор. Он также осуществляет преобразование входных данных в выходные. Но оно каждый раз новое, так как определяется текущей выполняемой командой. (Микропроцессор и появился, как альтернатива жесткой логике.). Таким образом, микропроцессор можно определить как устройство, которое осуществляет чтение команд из памяти, их дешифрацию и выполнение. Входная информация при этом не “висит” на входных выводах, как у логических элементов, а располагается во внутренних регистрах процессора, будучи туда предварительно введенной из памяти или внешних устройств, причем, возможно, не за один машинный цикл. И конечно, управляющие сигналы процессора имеют самый широкий спектр.

Сравнение микропроцессора с ПЛИС

Среди других типов цифровых интегральных схем для лучшего понимания сущности микропроцессора выделим еще один — программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Они определенным образом сочетают в себе свойства всех вышеперечисленных устройств. ПЛИС имеют в своем составе память (перепрограммируемую постоянную или статическую), логические элементы и ключи, их соединяющие. Создание системы на основе ПЛИС заключается в построении битовой последовательности, записываемой в память ПЛИС. Эта битовая последовательность и задает конфигурацию логических элементов включением-выключением определенных ключей. Создание битовой последовательности для ПЛИС имеет аналогию с созданием программ для микропроцессоров. Необходимая конфигурация ПЛИС создается в системе автоматизированного проектирования с использованием средств, аналогичным языкам программирования высокого уровня. Затем с помощью компилятора она переводится в битовую последовательность. Таким образом, ПЛИС сочетают в себе преимущества жесткой логики и универсального процессора. Некоторые считают, что благодаря этому ПЛИС вытеснят микропроцессор. В этом есть определенный резон. Процессор, как мы уже выяснили — это чисто алгоритмическое устройство. А в природе в чистом виде алгоритмов не бывает, т. е. алгоритм поведения системы определяется ее структурой, является сущностью, производной от структуры системы. Любая естественная система является синергетической (самоорганизующейся). На этом же принципе должен быть основан новый тип вычислительных устройств. Это может быть что-то вроде самоорганизующихся ПЛИС, в которых битовая последовательность создается автоматически в процессе обучения. Пока же средства создания битовых последовательностей являются программами для микропроцессора. А микропроцессор в этом смысле замкнут или самодостаточен — программы для него создаются с использованием средств, также являющихся его программами.

Основные характеристики процессоров

Перечень основных характеристик процессора

Основными характеристиками процессора являются:

1. Технологический процесс.

2. Количество транзисторов на кристалле.

3. Тактовая частота (внутренняя и внешняя).

4. Производительность.

5. Потребляемая (рассеиваемая) мощность.

6. Тип корпуса (разъема), количество выводов.

7. Архитектура.

Технологический процесс и количество транзисторов на кристалле

Технологический процесс определяется размером электронного элемента, создаваемого на кристалле. Обычные значения этой величины — 130, 90, 65, 45, 32 нм.

Чем меньше размер элемента, тем соответственно, большее их число (число транзисторов) можно разместить на кристалле одной площади. Основным электронным элементом интегральной схемы является транзистор. Поэтому характеристикой процессора является именно число транзисторов на кристалле. Для современных процессоров значение этой характеристики перевалило за миллиард.

Тактовая частота и производительность процессора

Для оценки производительности используются различные единицы и различные тесты. Наиболее распространенными основными единицами являются IPS (Instructions Per Second) и FLOPS (Floating Point Instructions Per Second), кратными —MIPS, MFLOPS, GFLOPS (M — Mega, G — Giga). Кроме того, существуют различные виды производительности: пиковая и реальная. Пиковая производительность — это теоретический максимум быстродействия процессора. Она определяется как максимально возможное число вычислительных операций, выполняемое в единицу времени всеми обрабатывающими устройствами процессора. Пиковая производительность связана с тактовой частотой процессора, разрядностью операндов, числом циклов (тактов) в команде. Например, Pentium за один такт может формировать один результат 64-разрядной операции с плавающей точкой или два результата 32-разрядных целочисленных операций. Таким образом, для Pentium 133 пиковая производительность равна 133 MFLOPS при выполнении вычислений с плавающей точкой и 266 MIPS при выполнении целочисленных 32-разрядных вычислений. Реальная производительность будет ниже, хотя и ненамного. SiSoftware Sandra 2005 показывает, например, такие цифры: 131 MFLOPS и 236 MIPS.

Для пиковой производительности можно написать следующую формулу:

E = I/T = (I/Clock)  (Clock/T) = F  (I/Clock) = F  IPC

Из этой формулы видно, что производительность можно повышать увеличением тактовой частоты или увеличением числа параллельно работающих исполнительных блоков.

Реальная производительность ниже пиковой, теоретической или идеальной, по двум причинам.

В определении пиковой производительности предполагается, что вся необходимая информация для выполнения программы, команды и данные, всегда доступна процессору. Однако в действительности это не так. Канал между процессором и памятью — это т. н. "бутылочное горлышко" (bottle neck) фоннеймановской архитектуры. Поэтому реальная производительность может быть увеличена путем совершенствования интерфейса процессора с памятью.

Вторая причина состоит в том, что не все параллельные блоки могут быть загружены в каждый момент времени. Для их полной загрузки необходимо, чтобы у исполняемой программы была необходимая степень внутреннего параллелизма, которую можно определить как долю команд, которые могут быть выполнены параллельно. Таким образом, создание параллельного кода — второй способ увеличения реальной производительности "параллельных" процессоров.

Тактовая частота и потребляемая мощность

Итак, мы отметили, что производительность компьютера можно повысить увеличением тактовой частоты. Однако, при этом увеличивается другая характеристика, связанная с тактовой частотой — потребляемая (рассеиваемая) мощность:

P = C_d  U²  F,

где

C_d — динамическая емкость;

U — напряжение питания;

F — тактовая частота.

Рассеиваемая мощность первых процессоров была не велика, и они не требовали специального охлаждения. Оно требуется, лишь начиная с 4 Вт рассеиваемой мощности. Снижение температуры процессора на 10 градусов ведет к удвоению времени его безотказной работы. Более того, перегрев кристалла может привести к необратимому повреждению процессора. Для процессоров Pentium, например, температура кристалла не должна превышать 70 градусов. Наиболее распространенные средства охлаждения — радиаторы и вентиляторы. В среднем радиатор снижает температуру на 20 градусов, радиатор вместе с вентилятором — на 40 градусов.

Сейчас снижение энергопотребления является одной из важнейших задач при разработке процессоров. При этом производительность должна быть на высоком уровне. Поэтому используются новые технологические решения. Особенно интенсивно в этом направлении работает компания VIA Technologies.

Семейство процессоров VIA Nano 3000, выпущенное в 2009 году, имеет следующие характеристики:

• архитектура x86;

• микроархитектура Isaiah;

• тактовая частота 1—2 ГГц;

• шина 800 МГц (VIA V4 FSB);

• потребляемая мощность 500 мВт (2 ГГц) — 100 мВт (1 ГГц).

Здесь же можно отметить новое семейство процессоров Intel для мобильных и встроенных систем Atom с одноименной микроархитектурой. Процессоры этого семейства также характеризуются рассеиваемой мощностью в единицы и доли ватта. Один из самых производительных в настоящее время процессоров этого семейства Atom330 (2008 год) имеет следующие характеристики:

• архитектура Intel64;

• микроархитектура Atom;

• 2 ядра с технологией HT (Hyper Threading), т.е. четыре потока;

• кэш 1 Мбайт;

• технология 45 нм;

• 94 млн. транзисторов;

• тактовая частота 1,6 ГГц;

• FSB 533 МГц;

• потребляемая мощность 8 Вт;

• корпус PBGA437;

• чипсет Intel 945GC Express.

Характеристики более нового процессора такого же уровня Atom D510 (2010 год) таковы:

• архитектура Intel64;

• микроархитектура Atom;

• расширения SSE2, SSE3, SSSE3;

• 2 ядра с технологией HT (Hyper Threading), т.е. четыре потока;

• интегрированный графический процессор;

• интегрированный контроллер памяти;

• кэш 1 Мбайт;

• основная память DDR2-667/800 максимальный объем 4 ГБайта, 1 канал;

• технология 45 нм;

• 176 млн. транзисторов;

• тактовая частота 1,66 ГГц;

• потребляемая мощность 13 Вт;

• корпус FCBGA559;

• чипсет Intel NM10 Express, включающий одну микросхему NM10 PCB.

Типы корпуса процессора

Основные типы корпуса процессоров:

• DIP (Dual In Line Package) — корпус с двухрядным расположением контактов;

• QFP (Quad Flatpack Package) — корпус с четырехрядным расположением выводов;

• PGA (Pin Grid Array) — корпус с решетчатой структурой штырьковых выводов, расположенных по нижней поверхности корпуса;

• BGA (Ball Grid Array) — корпус с решетчатой структурой шарообразных выводов, расположенных по нижней поверхности корпуса;

• картридж с однорядным расположением контактов (SECC, Single Edge Contact Cartridge).

Тип корпуса соответствует типу разъема: PGA — Socket, SECC — Slot.