Процессор

Основным элементом, размещаемым на материнской плпте является процессор, точнее главный процессор (Central Processing Unit, CPU).

CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Однако материнскую плату составляет, естественно, не только процессор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока PC включен.

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. В области PC имеется признанный лидер на рынке - фирма Intel, которая является (и была) "домашним" поставщиком CPU в IBM -совместимых PC. Известны еще две фирмы: это AMD и Cyrix.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

• Степень интеграции (показывает количество транзисторов на единицу площади)

Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до 5 миллионов в процессоре Pentium II).

• Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных (количество одновременно обрабатываемых бит)

Тип процессора	Частота (МГц)	Разрядность шины данных	Разрядность шины адреса	Адресное пространство
8086	4 - 12	16	20	1 Мб
80286	8 - 20	16	24	16 Мб
80386	25 - 40	32	32	4 Гб
80486	33 - 100	32	32	4 Гб
Pentium	75 - 200	64	32	4 Гб
Pentium II	200 - 300	64	32	4 Гб
Pentium III	500 - 1000	64	32	4 Гб
Pentium IV	1300-1500	64	32	4 Гб

• Тактовая частота  (частота, с которой процессор выполняет определенные операции) (периодический сигнал, используемый для временного согласования всех синхронных операций в устройствах вычислительной машины)

Характеристики	Возможные значения
Тактовая частота - указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора, измеряется в мегагерцах (МГц, ГГц).	80486DX4 100 МГц Intel Pentium (80586) 100-166 МГц Intel Pentium pro (80686) 166-600 МГц Intel Pentium III до 1200 МГц Intel Pentium 4 до 2800 МГц Intel Celeron до 1800 МГц AMD Duron до 1200 МГц AMD Athlon XP до 2800 МГц

В нынешних условиях борьба за повышение тактовой частоты процессоров без их перенагревания становится все более трудным и дорогостоящим занятием. Разработчики микросхем используют множество различных методов с тем чтобы максимально увеличить пропускную способность процессоров, не повышая при этом их тактовой частоты.

Следующий этап развития компьютерных технологий, который преобразит существующую вычислительную – это широкое распространение мультиядерных технологий

Мультиядерные технологии позволяют организацовать многопоточную обработку, в ходе которой параллельно выполняется несколько потоков команд. Производительность двухъядерного процессора может быть почти в два раза выше, чем у одноядерного, а его стоимость будет намного ниже, нежели у двух процессоров, имеющих по одному ядру.

Двухядерный чип – это фактически два процессора в одном чипе. Преимущество такого процессора над одноядерным проявляется, прежде всего, при работе с многопоточными приложениями. Многопоточные задачи работают быстрее на двухядерных процессорах, потому что операционная система может распределять программные потоки отдельно по каждому ядру, в то время как на одноядерных процессорах задачи меняются по мере выполнения, то есть по очереди. Применение этой технологии позволит увеличить производительность процессоров нового поколения и одновременно избежать роста потребления энергии, которое накладывает ограничения на развитие одноядерных процессоров. Кроме того, чем выше частота процессора, тем больше он теряет производительность при обращении к памяти. Два ядра получаются предпочтительней, чем одно, так как в этом случае легче обеспечить процессор данными для обработки. Поскольку производительность памяти увеличивается медленнее, чем скорость процессоров, увеличение производительности путем использования нескольких ядер выглядит более предпочтительным, чем наращивание частоты.

Мультиядерная технология AMD способна существенно увеличить количество выполняемой работы в задачах требующих интенсивных вычислений, например таких, как мультимедиа, создание цифрового контента, обеспечения безопасности и других.

В 2001 году корпорация IBM разработала свой первый универсальный «двухъядерный» (dual-core) процессор Power4, предназначенный для серверов IBM eServer линеек pSeries и iSeries. В начале 2004-го Sun Microsystems выпустила оснащенный двумя ядрами процессор UltraSparc IV для серверов Sun Fire V, а компания Hewlett-Packard представила построенный на базе двух ядер процессор PA-RISC 8800. Ответ со стороны Advanced Micro Devices последовал летом: общественности был продемонстрирован оснащенный двумя ядрами Opteron (64-разрядный процессор от AMD с поддержкой системы команд x86).

В течение ближайших лет почти все микропроцессоры — устанавливаемые в настольных ПК и в более сложных системах — будут оснащаться двумя или даже большим числом ядер.

Число транзисторов на одной интегральной схеме будет по-прежнему удваиваться раз в полтора года, но использование этой дополнительной мощности в дальнейшем будет организовано по-иному. На рынке появляются интегральные схемы со все большим числом транзисторов, но это не значит, что нужно продолжать стремиться наращивать число инструкций, выполняемых за один цикл. По мнению большинства специалистов, в этой области мы подошли к предельным значениям.

Дополнительные транзисторы используются для создания дополнительного механизма обработки — для организации многопоточной обработки, в ходе которой параллельно выполняется несколько потоков команд. Производительность двухъядерного процессора может быть почти в два раза выше, чем у одноядерного, а его стоимость будет намного ниже, нежели у двух процессоров, имеющих по одному ядру. При размещении двух процессоров на одном кристалле скорость обмена информацией между ними возрастает, а совместное использование кэш-памяти может еще более повысить эффективность обработки данных. Кроме того, двухъядерные процессоры занимают меньше пространства, потребляют меньше энергии и рассеивают меньше тепла, нежели отдельные процессоры. Число ядер определяется размерами полупроводниковых цепей. С переходом на более совершенную нанометровую технологию микросхем кристаллы с четырьмя или даже с большим числом блоков обработки данных получат широкое распространение,

Микропроцессор-это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС, включающих все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации.

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

• арифметически-логического

• блока регистров

• устройства управления

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические преобразования данных.

Устройство управления - электронный блок компьютера, включающий в работу устройства, блоки, электронные элементы и цепи в зависимости от содержания текущей команды.

В современных процессорах используется архитектура RISC (Reduced Instraction Set Computer). Основная идея состоит в том, чтобы перераспределить рабочее пространство микросхемы в пользу «арифметики» за счет сокращенного числа команд, за счет управления. Это оказывается возможным в результате перехода от микропрограммного управления к аппаратному

Регистр - ячейка памяти в виде совокупности триггеров, предназначенных для хранения одного данного в двоичном коде.

Количество разрядов в регистре определяется разрядностью микропроцессора

Регистры общего назначения - образуют сверхоперативную память и служат для хранения операндов участвующих в вычислениях, а также результатов вычислений.

Регистр команд - служит для хранения команды, выполняемой в текущий момент времени.

Счетчик команд - регистр, указывающий адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда.

Стек (стековая память) - совокупность связанных между собой регистров для хранения упорядоченных данных. Первый выбирается из стека данное попавшее туда последним, и наоборот.

Между шиной адреса и шиной данных процессора есть эмпирическое соотношение: чем больше процессор должен адресовать памяти (т.е. чем больше разрядность шины адреса), тем быстрее они должны поступать в процессор. Следовательно, тем шире шина данных. Однако на разрядность шин накладывается технологическое ограничение: чем шире шина, тем сложнее сделать его компоненты (как со "стороны" процессора, так и периферии.) Поэтому в современных универсальных микропроцессорах ШАШ ~ 0.5 – 2.0 ШШД.

Примечание: ШАШ – ширина адресной шины, ШШД – ширина шины данных).

Критерий	Разрядность
Функциональный	обработки				хранения				обмена
Реализационный	физическая		архитектурная		физическая		архитектурная		физическая		архитектурная
Типовой (D: данных; A: адресов)	D	A	D	A	D	A	D	A	D	A	D	A
i8080/85, Z80	8	8	8-16	16	8	8	8-16	16	8	16	8-16	16
Z8000	16	16	8-64	16	16	16	8-64	16	8-16	23	8-64	23
MC68000/010 (MC68008)	16	16	8-32	32	32	32	8-32	32	8-16 (8)	24 (20)	8-32	32
MC68020/030	32	32	8-32	32	32	32	8-32	32	8-32	32	8-32	32
i8086/186* (i8088/188*)	16	16	8-16	16	16	16	8-16	16	8-16 (8)	20	8-16	20
i80286	16	16	8-16	16	16	16	8-16	16	8-16	24	8-16	24
i80386DX	32	32	8-32	32	32	32	8-32	32	8-32	32	8-32	32
i80386SX (EX/CX)	32	32	8-32	32	32	32	8-32	32	8-16	24 (26)	8-32	32
i860	32/64|64	32	8-64/64|64	32	32/64/32	32	8-64/64/64	32	64	64	8-64	64
i80486	32/80	32	8-32/80	32	32/80	32	8-32/80	32	32	32	8-80	32
Pentium, K5 (Pentium Pro)	32/80	32	8-32/80	32	32/80	32	8-32/80	32	64	32 (36)	8-80	32 (51)
Pentium MMX (Pentium II)	32/80|64	32	8-32/80|64	32	32/80|64	32	8-32/80|64	32	64	32 (36)	8-80	32 (51)
K6 (K6-2)	32/80|64(/64)	32	8-32/80|64(/64)	32	32/80|64(/64)	32	8-32/80|64(/64)	32	64	32	8-80	32
Athlon	32/80|64/64	32	8-32/80|64/64	32	32/80|64/64	32	8-32/80|64/64	32	64	36	8-80	51
Athlon XP	32/80|64/64	32	8-32/80|64/32-128	32	32/80|64/128	32	8-32/80|64/128	32	64	36	8-128	51
Pentium III (Pentium 4/M, Core)	32/80|64/64	32	8-32/80|64(+128)/32-128	32	32/80|64(+128)/128	32	8-32/80|64(+128)/128	32	64	36	8-128	51
Pentium 4 D/EE (Athlon 64*)	64/80|64/64	64	8-64/80|64+128/32-128	64	64/80|64+128/128	64	8-64/80|64+128/128	64	64(+16)	40	8-128	52
Atom	32-64/80|64/64-128	64	8-64/80|64+128/32-128	64	64/80|64+128/128	64	8-64/80|64+128/128	64	64	36	8-128	51
Core 2 (i7*)	64/80|128/128	64	8-64/80|64+128/32-128	64	64/80|64+128/128	64	8-64/80|64+128/128	64	64 (192+16)	40	8-128	52
Athlon II*, Phenom (II)*	64/80|128/128	64	8-64/80|64+128/32-128	64	64/80|64+128/128	64	8-64/80|64+128/128	64	128+16	40 (48)	8-128	52

* — Мультиплексированная шина данных и адреса (для ЦП с интегрированным контроллёром памяти — только межпроцессорная) «A/B|C/D» — для данных указана разрядность скалярного целого / вещественного | векторного целого / вещественного доменов «X+Y» — имеет домены этого вида двух разрядностей «X-Y» — в зависимости от команды или ФУ принимает все промежуточные значения с целой степенью двойки

 Наиболее часто 32/64/80/128 разрядов данных, 32/64 разряда адреса.