Центральный процессор

CPU–CentralProcessingunit– центральный процессор – «сердце» ЭВМ. Он осуществляет вычисления по хранящейся в ОЗУ программе и обеспечивает общее управление компьютером.

Эволюция процессоров Intel, применяемых в ПК, происходила следующим образом. Процессор i8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм².

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением явилось то, что при уменьшении нормы технологического процесса появилась возможность значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре (i4004, первый процессор Intel, не применялся в ПК, а был разработан по заказу фирмы Busycom для производимого ей программируемого калькулятора)до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн. транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Это позволило внедрить в архитектуру процессора поистине революционные изменения:

• В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере.

• На одном кристалле Intelразместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1 (подробнее о кэш-памяти см. далее), которые до этого располагались в отдельных микросхемах.

Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года.

486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Компьютеры с такими процессорами в некоторых случаях используются и в настоящее время. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами.

Процессор следующего поколения, Pentium, появился уже не через десятилетия, а меньше чем через 4 года, в марте 1993.

Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс – 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Основные особенности процессора:

• Ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты.

• Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этих проблем на кристалле расположили специальный буфер, BranchTargetBuffer, с помощью которого реализован механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление (IF...ELSE или CASE 1...CASE N), в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника – 486-й, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени.

Следующей моделью, выпущенной Intel, стал процессор Pentium Pro. Его основные отличия от процессоров предыдущих поколений:

• Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14.

• Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.

• В одном корпусе с процессором реализован кэш второго уровня

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.

Только с переходом на технологию 0,35 мкм процессоры шестого поколения нашли широкое применение. Первым в этой серии был процессор Pentium II. Правда, кэш второго уровня так и остался в виде отдельной микросхемы (хотя находился внутри корпуса процессора). Более того, кэш работал на частоте в два раза меньшей, чем ядро процессора. Тем не менее, это был серьёзный шаг в повышении производительности, и к тому же цена процессора оказалась доступной для большинства покупателей.

При переходе на 0,25-микронный техпроцесс появился новый процессор, Pentium III, в котором было достаточно много усовершенствований, однако кэш второго уровня всё ещё работал на половинной частоте ядра процессора.

Только с появлением процессора Pentium III Coppermine, изготавливаемого по 0,18-микронной технологии, кэш второго уровня переместился в ядро процессора и стал работать на частоте ядра. Самый совершенный на сегодняшний день процессор семейства Pentium, Pentium 4, изготавливается по 0,09-микронной технологии.

Ядро нового процессора было практически полностью переработано. Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Таким образом, со времени появления первого микропроцессора норма технологического процесса уменьшилась примерно в 33 раза. За это же время количество транзисторов в процессоре увеличилась в 18 000 раз, а тактовая частота – почти в 14 000 раз.

Внутреннее устройство микропроцессора. На рисунке 3 в качестве примера изображена структурная схема микропроцессораIntelPentiumII. Ее полный анализ выходит за рамки этого курса, однако на некоторых блоках следует остановиться подробнее.

Рисунок 3. Структурная схема процессора Pentium II

• BusUnit. Этот модуль отвечает за взаимодействие процессора с чипсетом. Он согласовывает интерфейсFSB(FrontSideBus– наружная шина процессора) с внутренними линиями передачи данных, адреса и управляющих сигналов.

• CodeCacheиDataCache– внутренние кэши команд и данных. Все обращения к подсистеме основной памяти проходят через эти два блока. Подробнее о том, что такое кэш и зачем он нужен см. раздел «Основная память»

• PrefetchBuffers– очереди буферов предварительной выборки команд иInstructionDecode– блок декодирования команд. Этот блок отвечает за конвейеризацию выполнения программы.

• ControlUnit– устройство управления. Именно в нем выполняются команды.

• ALU– арифметико-логическое устройство для выполнения операций над целыми числами.PentiumIIсодержит два целочисленных АЛУ – по одному на каждый целочисленный конвейер.

• FloatingPointUnit– математический сопроцессор – устройство для выполнения операций над числами с плавающей запятой.

Большая часть структурной схемы (все, что находится справа от блока BusUnit) называется процессорным ядром. ПроцессорыIntel, начиная с моделиPentium4, могут содержать на одном кристалле несколько ядер, что позволяет распараллеливать вычисления на более высоком уровне, чем это позволяют делать несколько конвейеров в пределах одного ядра.