Центральный процессор

26 марта, 2012 |

Автор: admin

Центральный процессор

CPU — центральный процессор является основным компонентом, «мозгом» компьютера и определяет его самые основные характеристики. «то большая интегральная схема (БИС), сформированная на кристалле кремния. Большая интегральная схема не по размеру, а по количеству элементов – транзисторов, включенных в нее.

Скачать презентацию «Процессор»

Скачать тест по теме «Процессор»

изготовление процессора
логический состав ЦП
принципы работы современных процессоров
характеристики ЦП
cредства термозащиты процессоров
корпус процессора
порядок установки процессора Pentium IV в гнездо системной платы

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. В 1965Г. Гордон Мур сделал смелое предсказание: число транзисторов, размещаемых на кристалле ИС, будет удваиваться приблизительно каждые 2 года. Отрасль развивалась почти в точном соответствии с этим прогнозом, получившим название закона Мура. Но впервые за 43г нарушен закон, благодаря новым методам производства микросхем, когда можно разместить 30млн. транзисторов на участке кристалла с булавочную головку. в 2006г. процессор Core 300млн. транзисторов, начало 2007г. 800 млн транзисторов в двух ядерных системах.

Изготовление микропроцессора

— это сложнейший технологический процесс, включающий в себя несколько сотен этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких пластин Кремния, которые нарезают из длинных цилиндрических кристаллов кремния, выращенных из расплава кремниевого песка. Кремний обладает полупроводниковыми свойствами, его проводимостью Можно управлять путем введения примесей. В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносятся тончайшие слои различных материалов. На них фотолитографическим способом слой за слоем формируют «рисунок» будущей микросхемы. В ходе следующей операции, называемой легированием, открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии микроскопические участки, имеющие различную электрическую проводимость. Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную структуру процессора. После этого пластины разрезают на отдельные микросхемы, которые проходят тщательное тестирование, чтобы проверить качество выполнения всех технологических операций. Заготовки, в которых обнаруживаются неисправности, просто выбраковываются, поскольку не существует способов исправления ошибок. Затем каждый кристалл помещают в защитный корпус и припаивают к нему выводы.

В логический состав ЦП входят след. устройства:

устройство управления (УУ) — блок упр-я. Управляет работой всех устройств по зад. программе
АЛУ(арифметико-логическое устройство) вычислительный инструмент процессора.
регистры процессорной памяти – внутренняя память процессора. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. Каждый их регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение.IP – счетчик команд (помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы.CS – регистр команд, помещается сама команда на время ее исполненияDI SI BP – индексные регистры, указатели сдвигов в сегментах.AX BX – общего назначенияSS – стека (Стек- область, используемая для временного хранения данных. Стек содержится в отдельном сегменте, который называется сегментом стека)DS — дополнительный

Рассмотрим принципы работы современных процессоров

Микропроцессор представляет собой сложное электронное устройство для выполнения различных операций. Любой процессор поддерживает определенный набор команд, которые может исполнять, и содержит набор внутренних ячеек памяти, регистров, с которыми может работать гораздо быстрее, чем с внеш-ней памятью. Возможности ПК, как универсального исполнителя по работе с информацией определяется системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд. (ЯМК) Из языка ЯМК составляются программы управления работой компьютера. Отдельная команда представляет отдельную операцию (действие) компьютера. В ЯМК существуют операции по которым выполняется арифметич. , логич. операции, перации управления последовательностью команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр. Различают два типа архитектуры микропроцессоров – CISC и RISC.

CISC

CISC (Complex Instruction Set Computer) подразумевает, что процессор поддерживает очень большой набор команд (более 200) (полную систему команд) и имеет небольшое число регистров. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности ( от простых, характерных для микропроцессора 1-го поколения, до значительной сложности, характерных для современных процессоров.

RISC

В свою очередь RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор ко-манд и большое число внутренних регистров. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Высокая степень дробления конвейера. Споры о том, что лучше, идут до сих пор. RISC-процессор работает быстрее, т. к. команды простые. И стоят дешевле, но программы для них занимают больше места, чем для CISC. Именно поэтому в условиях дефицит оперативной памяти первоначальное развитие процессоров для персональных компьютеров пошло в направлении CISC-архитектуры Все процессоры, совместимые с набором команд х86 являются CISC процессорами, хотя некоторые могут иметь элементы RISC-архитектуры. Микропроцессоры 5 поколения имеют 64разрядную шину данных и адресов. Могут работать с 8,16,32 битными данными, поддерживают конвейерную структуру и обладают возможностью предсказывать направление переходов в программе. Процессоры, обладающие немного большими возможностями, как правило, относят к шестому поколению. Рассмотрим основные принципы работы современных процессоров. Прежде всего отметим, что процессор выполняет программу, которая хранится в памяти, Программа представляет собой набор команд (инструкций) и данных. Последовательно считывая команды процессор выполняет соответствующие действия. Каждая команда представлена несколькими байтами, причем длина ее не фиксирована и может составлять от 1 по 15.

Характеристики ЦП

Тактовая частота — это основная характеристика процессора, которая определяет его возможности и производительность системы в целом. Каждый тип процессора выпускается в виде целой линейки (семейства) моделей, отличающихся различными характеристиками и, прежде всего, тактовой частотой. Так, процессор Pentium IV может выпускаться в различных модификациях с тактовой частотой от 2,0 До 3,8 МГц. Тактовая частота процессора определяется двумя факторами: частотой системной шины и внутренним множителем процессора (внутренней тактовой частотой). Первый параметр фактически не зависит от самого процессора, а определяется системной платой, точнее ее чипсетом. Системные платы могут выпускаться с разными частотами — от 256 до 800 МГц . Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри ПК. В ритме этого метронома работает ЦП. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Измеряется в МГц.
Техшаг
Процессор состоит из многих миллионов транзисторов. Их можно условно представить себе в виде точек в узлах прямоугольной сетки — как зерна люминофора на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Расстояние между транзисторами про¬цессора определяется используемой технологией производства и в настоящее время составляет 0,09 мк или 90 нм. Чем меньше это расстояние, тем лучше. Уменьшение размеров транзистора влечет за собой уменьшение шага, а значит, уменьшается мощность тепловыделения и себестоимость изготовления, увеличивается максимально достижимая частота процессора.
Разрядность процессора
Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например разрядность регистра 2 байта – 16 бит, то разрядность ЦП – 16., 8 байт -64 Ячейка – группа последовательных байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки память называется машинным словом. Очевидно, что размер ячейки памяти и машинного слова равен разрядности процессора. Обмен информацией между ЦП и внутренней памятью производится машинными словами. Адрес ячейки памяти – равен адресу мл. байта ( байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.Итак, Ячейка – вместилище информации, машинное слово – информация в ячейке.
Адресное Пространство
По адресной шине процессор передает адресный код – двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространсство – это диапазон адресов ( множество адресов) к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n – бит, то размер адресного пространст-ва 2ⁿ байт Обычно размер адресного кода = количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины)
Архитектура ЦП— конструкция процессора и имеющаяся система команд (инструкций)К архитектуре относятся следующие элементы:а) Система команд и способы адресацииб) Возможности совмещения выполнения команд во временив) Наличие дополнительных узлов и устройств в составе МПг) Режимы работы процессораа) Система команд представляет собой совокупность команд, которые могут выполняться процессором. х86, MMX SSE SSE2 SSE3 3DNOWб)
Конвейер
Сегодняшние процессоры обеспечивают совмещение выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, образуя конвейерную обработку. Процессор разделяет выполнение команды на этапы.
Например Pentium — на 5 этапов:
1) прочитать из памяти часть программы (выборка, считывание команды из ОЗУ или КЭШа)
2) определить длину инструкции (декодирование и дешифрирование команды, т.е. определение кода выполняемой операции)
3) определить адрес ячейки памяти, если она используется в данной команде
4) выполнить команду 5) сохранить полученный результат. Каждый этап называется ступенью. Получается 5-ступенчатый конвейер.
При конвейерной обработке на выполнение каждого этапа отводится 1 такт тактовой частоты. В каждом новом такте заканчивается выполнение одной команды и начинается выполнение новой. Этот процесс называется поточной обработкой . Общее время выполнения команды в конвейере с 5 ступенями будет составлять 5 периодов тактовой частоты. В каждом такте конвейер будет одновременно обрабатывать 5 различных команд. Итак, конвейеризация повышает производительность процессора, но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Выигрыш получается за счет того, что обрабатывается сразу несколько команд.
Суперскалярный процессор наличие — двух конвейеров.
Суперконвейерный — более 5 этапов в конвейере Подобное решение резко повышало производительность ЦП. Применяется много конвейерная обработка. Практически все инструкции могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов. Суперсклярный и суперконвеерный означает наличие более двух конвейеров и более пяти этапов в конвейере соответственно. Конвейер оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ, которые могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов.
Встроенные устройства
Основными компонентами центрального процессора являются ядро, кэш-память и шина.
Ядро процессора выполняет инструкции. Операнды инструкций хранятся в регистрах. Размер регистров определяет разрядность процессора. Понятие «ядро» имеет и топологический смысл — оно размещено в центре микросхемы процессора, а по его периферии располагаются кэш-память и другие блоки. Один и тот же тип процессора может быть построен на различных «ядрах». Сегодня мы имеем многоядерные системы. Размещается 2, 4, 6, 8 ядер на одном кристалле.
Кэш-память (RAM cache) — высокоскоростная статическая (SRAM) память, использующаяся для ускорения доступа к данным, хранящимся в более медленной, но дешевой динамической (DRAM) памяти. Ускорение доступа производится, когда процессор многократно обращается к одним и тем же данным или командам программы. Кэш сохраняет последние данные я команды, и процессор быстро считывает их из кэша. КЭШ является своего рода буфером, согласующим быстрый процессор и относительно медленную оперативную память, что значительно ускоряет процесс обработки данных.
Бывает 2 типа: L1 и L2 (уровни 1 и 2 от англ. level — «уровень»).
Кэш L1 изначально был интегрирован в кристалл процессора и является его неотъемлемой частью. В нем размешаются инструкции процессора и данные для этих инструкций. Большой кэш L1 очень полезен в условиях многозадачности, так как он хранит так называемый контекст задач, т.е. информацию, необходи-мую для переключения на эти задачи при поочередном выполнении. Размер 2*32Кб , 2*64Кб , 2*128Кб ,2*256 Кб.
Кэш L2 служит для компенсации разницы частоты работы процессора и ОЗУ. Располагается или на мат. плате или в корпусе процессора, отдельно от его ядра. Основным его параметром является размер: чем он больше, тем быстрее работает система. Но память эта дорогостоящая, поэтому размер Кэша является компромиссом между производительностью и стоимостью системы. Типичные размеры кэш -памяти для разных процессоров (512Кб, 1Мб, 2Мб, 4Мб) Итак, Кэш позволяет повысить производительность за счет уменьшения случаев ожидания поступления информации из более медленной ОП. Нужные команды и данные берутся из более быстрого Кэша, куда заранее заносятся. Использование двух КЭШей исключает конфликты при считывании информации, идет одновременное считывание.
Связь процессора с другими устройствами на системной плате, в частности с основной памятью, осуществляется через шину процессора. Заметим, что раньше и основная память, и процессор находились на одной шине, которая называлась системной. Сейчас для повышения производительности процессор имеет собственную шину. (1066МГц, 800МГц, 533МГц, 333МГц). Сопроцессор — специальный блок для операций с «плаваю¬щей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.
В процессоре можно выделить еще следующие основные части:
—блок предсказания ветвлений (адреса перехода –БПАП);
-блок вычислений с плавающей точкой;
-средства обнаружения ошибок ЦП
Контроль ветвлений программы.
Если в программе встречается условный или безусловный переход, то после декодирования инструкции перехода и получения адреса процессор начинает считывать данные с нового адреса. Ясно, что до получения этого адреса конвейер простаивает. Подобная ситуация происходит достаточно часто, поэтому для снижения «негативных» последствий ветвлении программы все переходы, встречающиеся в программе, за-поминаются в специальном буфере адресов переходов (branch target buffer). При выполнении инструкции перехода процессор проверяет наличие адреса в буфере и начинает чтение программы с этого адреса. В случае безусловного перехода создается таблица «истории» переходов, исходя из которой процессор решает будет произведен переход или нет, и ачинает выполнение инструкций с предсказанного адреса — так называемое опережающее исполнение (speculative execution), Понятно, что если адрес предсказан неправильно, то все выполнение прекращается, конвейер очищается и начинается исполнение с правильного адреса. По-этому весьма важно, чтобы вероятность правильного прогноза была наиболее высокой. В современных процессорах она лежит в пределах 80-90%.
Блок предсказания адреса перехода позволяет повысить производительность за счет экономии времени путем предсказания возможных путей выполнения разветвляющего алгоритма.
Блок вычислений с плавающей точкой FPU (Floating Point Unit).
Данный блок обеспечивает выполнение операций с плавающей точкой и мультимедийных операций ММХ. Обычно он содержит свой отдельный конвейер, так как правило, такие операции могут исполняться только в одном конвейере. На производительность блока FPU в последнее время стали обращать внимание из-за появления множества приложений, написанных для команд ММХ или для работы с трехмерной гра-фикой, не говоря уже о чисто вычислительных задачах.
Являясь очень сложными устройствами, современные процессоры имеют возможности настройки своих параметров. Например, в процессорах Pentium можно отключать второй конвейер или блок предсказания ветвлений, что позволяет оценить прирост производительности, обеспечиваемый этими элементами ядра процессора. Кроме того, практически все процессоры имеют свою так называемую визитную карточку — специальную инструкцию, которая помогает однозначно идентифицировать процессор. Данная инструкция называется CPUID и выдает ИМЯ фирмы разработчика, тип семейств, модель и версию процессора, а также показывает его основные свойства, в частности наличие блока FPU или ММХ.
Наличие средств обнаружения ошибок ЦП.
В ЦП имеются устройства самотестирования для проверки работоспособности большинства элементов процессора. Используя специальный формат данных: бит четности, т.е. к каждому операнду добавляется бит четности, в результате все числа становятcя четными, появление нечетного числа – сигнал о сбое при работе процессора.

Средства термозащиты процессоров

Вы время работы процессоры сильно нагреваются — их температура достигает 7О…9О°С. Перегрев процессора грозит большими неприятностями, вплоть до полного выхода его из строя. Он может просто перегореть, как любой электрический прибор. Поэтому конструкция процессора должна предусматривать эффективную систему охлаждения. Собственно системный блок компьютера и так оснащен вентилятором, но он предназначен в основном для охлаждения самого блока питания и лишь частично для охлаждения материнской платы с установленным на ней процессором. Для современных процессоров, которые имеют мощность 40…70 Вт, этого совершенно недостаточно.
Поэтому центральный процессор снабжен своей собственной системой охлаждения. Она состоит из радиатора, который крепится непосредственно на корпусе процессора, и вентилятора, который охлаждает ребра радиатора.

Радиатор

Кулер процессора

Это металлическая пластина с ребристой поверхностью, за счет него существенно увеличивается теплообмен процессора с окружающей средой. Площадь поверхности кристалла процессора чрезвычайно мала и не превышает нескольких квадратных сантиметров. Это совершенно недостаточно для эффективного отвода тепловой мощности, рассеиваемой процессором. Благодаря ребристой поверхности радиатор в сотни раз увеличивает площадь своего теплового контакта с окружающей средой.
В настоящее время используются различные типы радиаторов.

Прессованные (экструзионные) радиаторы

Это наиболее простые, дешевые и распространенные радиаторы. Для их производства используется алюминий — металл с достаточно высокой теплопроводностью. Радиаторы изготавливаются методом прессования, что позволяет получить достаточно сложный профиль поверхности и достичь хороших теплоотводящих свойств.

Складчатые радиаторы

Отличаются довольно интересным технологическим исполнением: на базовой пластине радиатора пайкой или с помощью специальных теплопроводящих паст закрепляется тонкая металлическая лента, свернутая в гармошку, складки Которой играют роль ребристой поверхности. Такие радиаторы обычно изготавливаются из меди — она имеет более высокую теплопроводность, чем алюминий.

Кованые (холодноформированные) радиаторы

Для их изготовления используется технология холодного прессования, которая позволяет формировать поверхность радиатора в виде стрежней различного сечения. Основной материал — алюминий, но иногда для улучшения теплоотводящих свойств в основание устанавливают медные пластины. Это довольно сложная технология, поэтому кованые радиаторы дороже «экструзионных» и «складчатых», но не всегда лучше в плане тепловой эффективности.

Точеные радиаторы

На сегодня это наиболее дорогостоящие изделия, поскольку их производство основано на высокоточной механической обработке монолитных заготовок. Они отличаются не только самыми высокими эксплуатационными характеристи¬ками, но и высокой ценой. Изготавливаются из меди и алюминия.

Вентиляторы

Вентилятор процессора

На сегодня даже самые совершенные радиаторы не справляются с задачей эффективного охлаждения высокопроизводительных процессоров. Существенно улучшить теплообмен можно только с помощью специальных микровентиляторов — кулеров (от англ. cool — «охлаждать»), которые устанавливаются над радиатором и обдувают его ребра струей воздуха.
Как и любой другой вентилятор, кулер состоит из электродвигателя, на оси которого закреплена крыльчатка. Основной характеристикой вентилятора является его производительность— величина, показывающая объем прокачиваемого воздушного потока. Типичные значения расхода — 10 …80 кубических дюймов в минуту. Чем больше производительность вентилятора, тем лучше он охлаждает процессор. Производительность вентилятора зависит от размера крыльчатки и скорости вращения электродвигателя. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем выше производительность вентилятора. Типичные значения скорости вращения — 1500… 7000 об/мин. С увеличением размера крыльчатки увеличиваются производительность, габаритные размеры и масса вентилятора.
Наиболее распространенные типоразмеры — 60х60х 15 мм, 60x60x20 мм, 60x60x25 мм, 70х70х 15 мм, 80x80x25 мм. Среди эксплуатационных параметров можно выделить уровень шума и срок службы вентилятора. Уровень шума вентилятора вы¬ражается в децибеллах (дБ) и обычно находится в диапазоне 20… 50 дБ. Тихими считаются вентиляторы с уровнем шума менее 30 дБ. Срок службы (или время наработки на отказ) венти-лятора выражается в тысячах часов и является показателем его надежности и долговечности. Срок службы вентиляторов составляет 40…50 тыс.ч, что составляет около пяти лет непрерывной круглосуточной работы.

Корпус процессора

В большинстве процессоров Intel используется конструкция корпуса, называемая FC-PGA (аббревиатура от Flip Chip Pin Grid Array — перевернутый чип с массивом игольчатых контактов). Дело в том, что кристалл перевернут и выходит на верхнюю часть корпуса для лучшего охлаждения. Поверхность ядра закрыта теплорассеивателем, который представляет собой медную пластину, покрытую тонким защитным слоем. Количе¬ство контактов (pin) на корпусе может быть различным: 423, 478, 604, 775. Процессоры (как, впрочем, и все другие компоненты ПК) могут поставляться как в обычном варианте с минимальной комплектацией (OEM — Original Equipment Manufacturer), так и в боксовом варианте (in Box), т.е. в упаковочной коробке, снабженной руководством по установке и 3-летней гарантией. Стоимость процессора in Box всего на несколько долларов выше, чем в обычной OEM упаковке, что совсем недорого с учетом цены на кулер, которым снабжается боксовая упаковка.

Разгон

Разгон (overclocking)— режим работы любого устройства на более высокой частоте, чем штатная, т.е. на частоте, предусмотренной в его рабочих характеристиках. Разгон возможен потому, что большинство устройств имеет определенный запас прочности. Обычно небольшое увеличение частоты проходит безболезненно и дает выигрыш порядка 10%. При превышении критического значения возможен перегрев и полный выход дорогостоящего устройства из строя. Поэтому пользователь производит разгон на свой страх и риск, зачастую лишаясь гарантии продавца. Основной объект разгона — центральный процессор. Однако разгонять можно и память, и процессор видеокарты.

Порядок установки процессора Pentium IV в гнездо системной платы

установить рычаг гнезда процессора (А) в положение «Открыто», для чего надо отвести его чуть в сторону и приподнять вверх до упора;
установить процессор в гнездо и перевести рычаг в положение «закрыто» (золотой треугольник на процессоре должен смотреть в основание защелки);
нанести теплопроводящий состав на верхнюю поверхность процессора (Б) и равномерно распределить пасту по его поверхности;
совместить основание радиатора с механизмом крепления и установить радиатор на процессор. Не давая пасте засохнуть, сделать несколько равномерных колебательных движений, слегка двигая радиатор по про-цессору, чтобы термопаста равномерно распределилась по радиатору;
начиная с центрального лепестка (В) установить зажимы (Г) на лепестки механизма крепления (В, Д, Е).
вставить разъем (Ж) кабеля вентилятора в розетку с тремя штырьками, которая обычно находится неподалеку от разъема центрального процессора и обозначается CPU FAN.