Исследовать тенденции современного рынка процессоров, выделить самые лучшие модели, рассмотреть основные характеристики и достоинства современных процессоров.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теоретический анализ исторических, публицистических, научных, социологических источников и их описание.
1. Процессоры ПК
.1 Понятие и основные характеристики процессоров
Что такое процессор, понимает уже чуть ли не 5-ти летний ребенок. В нашем современном технологическом обществе, это знает практически каждый человек. Это, можно сказать, даже не специфика, а общие знания любого эрудированного человека. Но все-таки, что же такое процессор?
Процессор - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или центральным процессором (ЦПУ).
Зная характеристики процессора, можно проанализировать его и адекватно оценить вычислительную производительность компьютерной системы. Именно поэтому, очень важно хорошо разбираться во всех основных характеристиках процессоров. Далее будет изложен материал, где будут перечислены все основные параметры ЦПУ с кратким описанием каждого.
Рассмотрим многоядерность процессоров или характеристику количества ядер.
На первых порах развития процессоров, все старания по повышению производительности процессоров были направлены в сторону наращивания тактовой частоты, но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.
Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров, состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерный процессор Opteron от AMD, но для серверных систем.
Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный в операционной системе системе, имеет несколько потоков.
Нужно сразу же оговориться, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).
Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток будет выполнять сканирование компьютера, другой - обновление антивирусной базы.
И рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:
а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система делает это так: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Конечно же, производительность теряется.
б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.
Техпроцесс в центральных и графических процессорах.
Несмотря на то, что техпроцесс напрямую не влияет на производительность процессора, он все равно упоминается как характеристика процессора, так как именно техпроцесс влияет на увеличение производительности процессора, за счет конструктивных изменений. Необходимо отметить, что техпроцесс, является общим понятием, как для центральных процессоров, так и для графических процессоров, которые используются в видеокартах.
Основным элементом в процессорах являются транзисторы - миллионы и миллиарды транзисторов. Из этого и вытекает принцип работы процессора. Транзистор, может, как пропускать, так и блокировать электрический ток, что дает возможность логическим схемам работать в двух состояниях - включения и выключения, то есть во всем хорошо известной двоичной системе (0 и 1).
Техпроцесс - это, по сути, размер транзисторов. А основа производительности процессора заключается именно в транзисторах. Соответственно, чем размер транзисторов меньше, тем их больше можно разместить на кристалле процессора.
Новые процессоры Intel выполнены по техпроцессу 22 нм. Нанометр (нм) - это 10 в -9 степени метра, что является одной миллиардной частью метра. Чтобы лучше представить насколько это миниатюрные транзисторы, можно привести один интересный научный факт: « На площади среза человеческого волоса, с помощью усилий современной техники, можно разместить 2000 транзисторных затворов»
Если брать во внимание современные процессоры, то количество транзисторов, там уже давно переходит за 1 млрд.
Ну а техпроцесс у первых моделей начинался не с нанометров, а с более объёмных величин.
Частота процессора.
Если рассматривать специфические характеристики процессоров, то тактовая частота является наиболее известным параметром. Достаточно продолжительное время разработчики делали ставки именно на повышение тактовой частоты, но со временем, "мода" поменялась, и большинство разработок уходят на создание более совершенной архитектуры, увеличения кэш-памяти и развития многоядерности, но и про частоту никто не забывает.
Для начала нужно разобраться с определением «тактовая частота». Тактовая частота показывает нам, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Соответственно, чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров, в основном, составляет 1,0-4ГГц. Она определяется умножением внешней или базовой частоты, на определённый коэффициент. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20, в результате чего тактовая частота равна 2660 МГц.
Частоту процессора можно увеличить в домашних условиях, с помощью разгона процессора. Существуют специальные модели процессоров от AMD и Intel, которые ориентированы на разгон самим производителем, к примеру, Black Edition у AMD и линейки К-серии у Intel.
Сейчас, почти во всех сегментах рынка уже не осталось одноядерных процессоров. Ну оно и логично, ведь IT-индустрия не стоит на месте, а постоянно движется вперёд семимильными шагами. Поэтому нужно чётко уяснить, каким образом рассчитывается частота у процессоров, которые имеют два ядра и более.
Существует распространенное заблуждение насчёт понимания (высчитывания) частот многоядерных процессоров. Сразу же можно привести пример этого неправильного рассуждения: «Имеется 4-х ядерный процессор с тактовой частотой 3 ГГц, поэтому его суммарная тактовая частота будет равна: 4 х 3ГГц=12 ГГц, ведь так?»- Нет, не так.
Можно объяснить, почему суммарную частоту процессора нельзя понимать как: « количество ядер х указанную частоту».
Приведем пример: «По дороге идёт пешеход, у него скорость 4 км/ч. Это аналогично одноядерному процессору на N ГГц. А вот если по дороге идут 4 пешехода со скоростью 4 км/ч, то это аналогично 4-ядерному процессору на N ГГц. В случае с пешеходами мы не считаем, что их скорость будет равна 4х4 =16 км/ч, мы просто говорим: "4 пешехода идут со скоростью 4 км/ч". По этой же причине мы не производим никаких математических действий и с частотами ядер процессора, а просто помним, что 4-ядерный процессор на N ГГц обладает четырьмя ядрами, каждое из которых работает на частоте N ГГц».
То есть, по сути, частота процессора от количества ядер не изменяется, увеличивается лишь производительность процессора.
1.2 Понятие прерывания и основные виды прерываний
Прерывания - механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые ситуации, возникающие при работе процессора. Прерывания - принудительная передача управления от выполняемой программы к системе, происходящее при возникновении определенного события.
Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.
Механизм прерываний реализуется аппаратно-программным способом. Прерывание всегда влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.
Система прерывания - это эффективный способ реализации контрольных и управляющих функций операционной системы для поддержки заданных режимов работы ЭВМ, как аппаратно-программного комплекса.
Система прерывания появилась в процессорах ЭВМ второго поколения, которые использовались, в основном, в качестве программных устройств управления различными объектами.
-желание разработчиков уменьшить простои ЭВМ при возникновении внештатных ситуаций в процессоре (попытки деления на ноль, использование несуществующей команды, сбой в устройстве и т.д.),
-желание разработчиков загрузить полезной работой процессор, во время, когда он ожидает сигнал от управляемого объекта, т.е. желание реализовать фоновую работу ЭВМ.
Главные функции механизма прерываний:
-распознавание или классификация прерываний;
-передача управления на обработку прерываний;
-корректное возвращение к прерванной программе.
Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса:
-внешние (асинхронные);
-внутренние (синхронные).
Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:
-прерывания от таймера;
-прерывания от внешнего устройства (прерывания по вводу/выводу);
-прерывания по нарушению питания;
-прерывания с пульта оператора вычислительной системы;
-прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.
Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями, например:
-нарушение адресации;
-наличие в поле адреса несуществующей инструкции;
-деление на нуль;
-переполнение или исчезновение порядка;
-ошибка четности;
-ошибка в работе различных аппаратных устройств.
Собственно программные прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор производит те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не как переход в подпрограмму, а как обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью выполнения всех команд.
Сигналы, вызывающие прерывания, формируются в процессоре или вне его, они могут возникнуть одновременно. Выбор одного их них происходит на основе приоритетов, установленных для каждого их них. Наивысшим приоритетом обладают прерывания от схем контроля процессора. Учет приоритетов может быть встроен в технические средства или может определяться операционной системой. Программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.
Распределение прерываний по уровню приоритета (от низкого к высокому):
-программные прерывания;
-прерывания от внешних устройств: терминалов;
-прерывания от внешних устройств: сетевого оборудования;
-прерывания от внешних устройств: магнитных дисков;
-прерывания от системного таймера;
-прерывания от средств контроля процессора.
Процессор может обладать средствами защиты от прерываний:
-отключение системы прерываний;
-маскирование (запрет) отдельных видов прерываний.
Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды.
Сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, поэтому к моменту обработки может накопиться несколько сигналов. Сигналам прерывания присваиваются приоритеты, в первую очередь обрабатывается сигнал с более высоким приоритетом.
Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:
-с относительными приоритетами, обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высоким приоритетом. В программе обслуживания данного запроса следует наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;
-с абсолютными приоритетами, обслуживается прерывание с наибольшим приоритетом. В программе обслуживания прерываний следует наложить маски на сигналы прерывания с более низким приоритетом. Возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программы обработки прерывания, число уровней меняется и зависит от приоритета запроса;
-по принципу стека (последним пришел - первым обслужен), запросы с более низким приоритетом могут прервать обработку прерывания с более высоким приоритетом. В программе обслуживания прерываний не следует накладывать маски ни на один сигнал прерывания и отключать систему прерываний.
Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается:
-в организации реакций на прерывание;
-в организации обмена информацией;
-в предоставлении необходимых ресурсов;
-в динамике выполнения задачи;
-в организации сервиса.
Причины прерываний определяет ОС (супервизор прерываний) и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации.
Супервизор прерываний выполняет следующие действия:
-сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи;
-определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;
-устанавливает необходимый режим обработки пребывания;
-передает управление подпрограмме обработки прерывания.
После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач
При появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывание разрешено, управление передается на соответствующую подпрограмму обработки прерываний.
Подпрограмма обработки прерываний состоит их трех секций:
)отключение прерываний,сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний;
) собственно тело программы обработки прерываний;
)восстановление контекста прерванной ранее программы, установка прежнего режима работы системы прерываний.
-я и 3-я секции подпрограммы обработки прерываний -служебные, сохраняют и восстанавливают контекст задач. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерывания, во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль - супервизор прерываний.
1.3 Архитектура процессора
Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.
Кэш-память - это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.
Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти - скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.
Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти.