Основные характеристики процессора

Назначение центрального процессора

Центральный процессор обрабатывает данные. Он выбирает команды из памяти, дешифрирует их и выполняет. Он вырабатывает временные сигналы и сигналы управления, передает данные в память и из памяти и устройств ввода-вывода, выполняет арифметические и логические операции и идентифицирует внешние сигналы.
В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:

1) помещает адрес команды в адресную шину памяти;

2) получает команду из шины ввода данных и дешифрирует ее;

3) выбирает адреса и данные, содержащиеся в команде; адреса и данные могут находиться в памяти или в регистрах;

4) выполняет операцию, определенную в коде команды. Операцией может быть арифметическая или логическая функция, передача данных или функция управления;

5) следит за управляющими сигналами, такими как прерывание, и реагирует соответствующим образом;

6) генерирует сигналы состояния, управления и времени, которые необходимы для нормальной работы УВВ и памяти.
типичный ЦП.Цп.jpg

Рис.3 типичный ЦП

Таким образом, ЦП является «мозгом», определяющим действия ЭВМ.

Многоядерные CPU

Преимущества

Многоядерные процессоры — создаются всеми крупными производителями процессоров как Intel, так и AMD.

• Многозадачность: каждый процессор имеет несколько процессорных центров (ядер), в разы больше рабочей мощности и лучшую многозадачность. Основные преимущества многоядерных процессоров при тяжёлой многозадачности, например, кодировании видео и воспроизведении видеоигр одновременно — очевидны.
• Поддержка приложений: Новые приложения пишутся под эту технологию, используя технику многопоточности.
• Энергосбережение: при низком спросе на приложения многоядерные процессоры (особенно Intel), для экономии энергии, имеют возможность отключать часть своих ядер.

Недостатки

• Поддержка: некоторые совсем старые программы (с некоторыми исключениями) не поддерживают многопоточность и на многоядерных процессорах могут работать очень медленно.

Многоядерное будущее

В продаже появились шестнадцати-ядерные технологии и основная масса программ создаётся для использования нескольких ядер. Крупные производители чипов анонсируют выпуск, в ближайшие годы, процессоров с тридцатью двумя ядрами. Только время и опыт покажут, как будут масштабироваться преимущества конфигураций многоядерных CPU.

Расшифровка маркировок

Классификация новейших ЦП полностью вписывается в стандартную маркировку, используемую Intel уже не протяжении почти 10 лет, с момента выхода в начале 2011 года второго поколения процессоров, известного под именем Sandy Bridge.

В этой маркировке обозначение каждого ЦП имеет следующий вид:

Intel Core XY – ABCD EF

Теперь рассмотрим расшифровку этой надписи подробнее:

Intel Core – название марки процессоров. Характерная особенность – ядер больше 1. Марка существует уже более 12 лет, первый многоядерник под ней был выпущен в ноябре 2006 г.

1. XY – серия ЦП; состоит из буквы и цифры. Может быть i3, i5, i7 или i9 для стационарных ПК, или m5, x5 и т.д. для мобильных ПК; часто серия может вообще состоять из одной буквы, например, E или N. Как правило, такие обозначения также используются для мобильных решений.
2. A – Номер поколения. Принимает значения от 2 до 8 (несмотря на то, что уже официально существует девятое).
3. BCD – трёхзначный код артикула процессора. Грубо говоря, его модель в рамках того или иного поколения. Индексы могут принимать как числовые, так и буквенные обозначения.
4. ЕF – Версия. Также может быть одно- или двухбуквенной. Описывает особенности процессора.

Рассмотрим данную маркировку на примере процессора Intel Core 6-го поколения:

Intel Core i7 – 6920 HQ

Артикул 920 означает, что этот процессор Intel используется для мобильных ПК. Несмотря на то, что это i7, в нём используются решения для мобильных устройств. Частота ЦП составляет от 2.9 до 3.8 ГГц,

Суффикс НQ означает, что на кристалле процессора присутствуют 4 ядра, а также имеется высокоскоростное графическое решение.

Другой пример, типичный представитель седьмого поколения Intel:

Intel Core i7 – 7700 K

Это обычный представитель архитектуры Kaby Lake, ничем особо не выделяющийся, однако, имеющий разблокированный множитель, позволяющий ему разгоняться до 4.6 ГГц. Число ядер у данной модели равно 4, число потоков – 8. Энергопотребление стандартное для десктоповых решений 7 поколения – 65 Ватт.

Российские микропроцессоры[править]

Разработкой микропроцессоров в России занимается ЗАО «МЦСТ». Им разработаны и внедрены в производство универсальные RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм. Завершена разработка суперскалярного микропроцессора нового поколения Эльбрус. Основные потребители российских микропроцессоров — предприятия ВПК.
Однако в 2005 году состоялось поглощение корпорацией Intel ЗАО «МЦСТ»[Источник?].

История развитияправить

• 1998 г. SPARC-совместимый микропроцессор с технологическими нормами 500 нм и частотой 80 МГц
• 2001 г. SPARC-совместимый микропроцессор МЦСТ-R150 с топологическими нормами 350 нм и тактовой частотой 150 МГц.
• 2003 г.
  • SPARC-совместимый микропроцессор МЦСТ-R500 с топологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 500 МГц.
  • SPARC-совместимый микропроцессор на полностью заказной технологии с топологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 1 ГГц «Эльбрус» — микропроцессор нового поколения с топологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 300 МГц (авторские права защищены 29 патентами)
• 2004 г. E2K — микропроцессор нового поколения на полностью заказной технологии с топологическими нормами 130 нм и тактовой частотой 1,2 ГГц (авторские права защищены 70 патентами). (По непроверенным данным достигнута частота только 300 МГц)
• 2005 г.
  • Январь
    • Успешно завершены государственные испытания микропроцессора МЦСТ-R500 — самой совершенной модификации первых современных отечественных универсальных RISC-микропроцессоров семейства @МЦСТ-R. Этот микропроцессор явился базовым для пяти новых модификаций вычислительного комплекса Эльбрус-90микро, успешно прошедших типовые испытания в конце 2004 года.
    • На базе микропроцессоров МЦСТ-R500 в рамках проекта Эльбрус-90микро создан микропроцессорный модуль МВ/C, фактически представляющий собой одноплатную ЭВМ, превышающую миллиардный порог производительности.
    • На базе микропроцессорного ядра МЦСТ-R500 начата разработка двухпроцессорной системы на кристалле (СНК). На кристалле будут также размещены все контроллеры, обеспечивающие её функционирование как самостоятельной ЭВМ. На базе СНК предполагается создание семейств новых малогабаритных носимых вычислительных устройств типа ноутбуков, наладонников, GPS-привязчиков и т. п.
  • Май Получены первые образцы микропроцессора Эльбрус. Этот микропроцессор построен по не имеющей аналогов передовой отечественной технологии, в которой реализована архитектура явного параллелизма (WLIW/EPIC). ЗАО «МЦСТ» приступает к испытаниям микропроцессора.

Основные характеристики процессоров

Мы рассмотрели, что такое процессор компьютера, как он работает

Ознакомились с тем, что из себя представляют два основных их вида, время обратить внимание на их характеристики

Итак, для начала их перечислим: бренд, серия, архитектура, поддержка определенного сокета, тактовая частота процессора, кэш, количество ядер, энергопотребление и тепловыделение, интегрированная графика. Теперь разберем с пояснениями:

Бренд – кто производит процессор: AMD, или Intel. От данного выбора зависит не только цена приобретения, и производительность, как можно было бы предположить из предыдущего раздела, но также и выбор остальных комплектующих ПК, в частности, материнской платы. Поскольку процессоры от АМД и Интел имеют различную конструкцию и архитектуру, то в сокет (гнездо для установки процессора на материнской плате) предназначенный под один тип процессора, нельзя будет установить второй;
Серия – оба конкурента делят свою продукцию на множество видов и подвидов. (AMD — Ryzen, FX,. Intel- i5, i7);
Архитектура процессора – фактически внутренние органы ЦП, каждый вид процессоров имеет индивидуальную архитектуру. В свою очередь один вид можно разделить на несколько подвидов;
Поддержка определенного сокета — очень важная характеристика процессора, поскольку сам сокет является «гнездом» на материнской плате для подсоединения процессора, а каждый вид процессоров требует соответствующий ему разъем. Собственно об этом было сказано выше. Вам либо нужно точно знать какой сокет расположен на вашей материнской плате и под нее подбирать процессор, либо наоборот (что более правильно);
Тактовая частота – один из значимых показателей производительности ЦП. Давайте ответим на вопрос что такое тактовая частота процессора. Ответ будет простым для этого грозного термина — объем операций выполняющихся в единицу времени, измеряющийся в мегагерцах (МГц);
Кэш — установленная прямо в процессор память, её ещё называют буферной памятью, имеет два уровня — верхний и нижний. Первый получает активную информацию, второй – неиспользуемую на данный момент. Процесс получения информации идет с третьего уровня во второй, а потом в первый, ненужная информация проделывает обратный путь;
Количество ядер — в ЦП их может быть от одного до нескольких. В зависимости от количества процессор будет называться двухъядерных, четырех ядерным и т.д. Соответственно от их числа будет зависеть мощность;
Энергопотребление и тепловыделение

Тут все просто – чем выше процессор «съедает» энергии, тем больше тепла он выделит, обращайте внимание на этот пункт, чтобы выбрать соответствующий кулер охлаждения и блок питания.
Интегрированная графика – у AMD первые такие разработки появились в 2006, у Intel с 2010. Первые показывают больший результат, чем конкуренты

Но все равно, до флагманских видеокарт пока ни один из них не смог дотянуть.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию — поместить данные (последние 4 бита команды) в регистр .
2. . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 () в регистр .
3. . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра в регистр ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр .
4. . Сохраняем значение регистра в ячейку памяти с адресом .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Выбор процессора

Теперь, когда мы узнали все основы и четко понимаем, что такое тактовая частота и техпроцесс или почему количество ядер не стоит путать с количеством потоков, нам осталось выбрать подходящий центральный процессора для нашего компьютера.

К сожалению, здесь тоже всё не так просто.

Вот небольшой пример — если Intel Core i3-8100 будет идеальным решением для офиса (работа в Microsoft Office, 1С, почтовыми программами и т. д.), то он едва ли сможет обеспечить стабильный FPS в современных и требовательных играх.

Как не запутаться в таком обилии и разнообразии различных центральных процессоров и выбрать подходящий процессор именно вам? В этом сложном вопросе вам поможет наша статья «Как выбрать процессор для компьютера? Какой процессор лучше: AMD или Intel?», в которой мы постарались доходчиво разобрать все основные моменты, связанные с выбором центрального процессора.

Характеристики

Итак, для чего предназначен процессор, ясно: для выполнения команд из заданной программы. Для этого он обладает следующими характеристиками:

1. Тактовая частота. Центральный процессор тесно связан с генератором которым вырабатываются импульсы. Они синхронизируют между собой работу всех элементов компьютера. Равняется эта характеристика числу тактов за одну секунду. Один такт — это отрезок времени, находящийся между первым импульсом и вторым. Измеряется тактовая частота в мегагерцах.
2. Разрядность. Это максимальное значение, отвечающее за число разрядов образованного и передаваемого процессором в одно и то же время. Эта характеристика определена разрядностью его регистров.
3. Адресное пространство. К нему относится тот диапазон адресов, к которым обращается процессор, применяя адресный код.

Благодаря вышесказанному можно четко определиться, для чего предназначен процессор. Это мозг компьютера, без которого он совершенно ни к чему не пригоден. Разве только для украшения интерьера.

Характеристики, какие являются главными при выборе

Производители процессоров классифицируют выпускаемые компоненты, согласно сериям. Таким образом, существенно упрощается выбор устройств для решения разных задач. Процессор обладает рядом характеристик, наиболее важными из которых являются:

• число ядер;
• тактовая частота;
• архитектура;
• тепловыделение.

При выборе процессора следует обратить внимание на комплекс факторов, определяющих его производительность. Например, количество вычислительных ядер определяет производительность процессора

Многоядерные чипы содержат на одном кристалле или в одном корпусе несколько вычислительных ядер. Устройства для домашних ПК, как правило, обладают 8 ядрами, а процессоры для серверов — 12, как Opteron 6100. Ядра могут отличаться по эффективности, но с увеличением их количества возрастает производительность процессора. Количество потоков может не соответствовать числу ядер процессора. Чем больше потоков, тем эффективнее работа оборудования. За счет технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и по многим критериям превосходит 6-тиядерные аналоги устройств.

Кеш представляет собой достаточно быструю внутреннюю память процессора, необходимую для реализации функции буфера временного хранения информации, которая обрабатывается в определенный момент времени.

Чем больше кэш, тем лучше работает центральный процессор:

1. Кэш-память 1-го уровня отличается высокой скоростью, расположена в ядре ЦП, что объясняет компактные размеры от 8 до 128 Кб.
2. Кэш-память 2-го уровня находится в ЦП, но не в ядре. Она превосходит по скорости оперативную память, но уступает кэш-памяти 1-го уровня. Размер составляет от 128 Кбайт до нескольких Мбайт.
3. Кэш-память 3-го уровня быстрее оперативной памяти, но медленнее кэш-памяти 2-го уровня.

Частота процессора определяет его производительность. Тактовая частота является частотой работы центрального процессора. В течение 1 такта реализуется несколько операций. Чем выше частота, тем выше быстродействие компьютера. Тактовая частота современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц): 1 ГГц соответствует 1 миллиарду тактов в секунду.

Скорость шины процессора FSB, HyperTransport или QPI, с помощью которой происходит взаимодействие чипа с материнской платой. Данный показатель измеряют в мегагерцах. Чем больше скорость шины, тем лучше работает компьютер. Разрядность шин кратна 8. Данная характеристика показывает, какой объем данных в байтах можно передать в течение 1 такта. Большое значение имеет пропускная способность шины, которая равна произведению частоты системной шины и количества бит, передаваемых за 1 такт. Например, если при частоте системной шины в 100 Мгц за 1 такт передается 2 бита, то пропускная способность составит 200 Мбит/сек.

Большее количество транзисторов, меньшее энергопотребление и нагревание обеспечивает более тонкий техпроцесс. Данный показатель определяет TDP, то есть потребление и выделение процессором тепла. Величина Termal Design Point измеряется в Ваттах (Вт), зависит от числа ядер, техпроцесса изготовления и частоты, с которой работает процессор. Так называемые, «холодные» процессоры характеризуются TDP до 100 Вт. Путем разгона можно увеличить их производительность от 15% до 25%. При высоком TDP требуется установить эффективную систему охлаждения.

Кроме вычислительных ядер, процессоры нового поколения оснащены графическими ядрами. Они выполняют роль видеокарты. С их помощью можно играть в компьютерные игры, просматривать видео, работать с текстом и решать другие задачи. Выбор в пользу процессора со встроенным графическим ядром поможет сэкономить на покупке отдельного графического адаптера.

Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти определяет ее совместимость с процессором. Устройства поддерживают работу конкретного типа оперативной памяти:

• DDR;
• DDR2;
• DDR3.

Сокет или разъем вставляется в процессор. Данные устройства не являются универсальными. Кроме того, материнская плата обладает только одним сокетом для процессора, который должен соответствовать его типу. Гнездовой или щелевой разъем, необходим, чтобы интегрировать чип в схему материнской платы. Каждый разъем допускает подключение конкретного типа процессоров:

1. PGA (Pin Grid Array) — корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты.
2. BGA (Ball Grid Array) — шарики припоя.
3. LGA (Land Grid Array) — контактные площадки.

Как работает процессор

Рассмотрим схему, которая описывает весь цикл работы ЦП над определенной задачей.

1. Из некоторой “кучи” команд выбирается та, до которой дошла очередь. Порядок очереди определяется с помощью специального счетчика. Команда берется из определенной ячейки в памяти, а счетчик команд увеличивается на 1 (взяли команду, увеличиваем счетчик на 1, чтобы очередь дошла до следующей);
2. Команда, которая была выбрана, отправляется в устройство управления. УУ считывает адресное поле, выбранной команды из памяти, и полученные операнды направляются в АЛУ на специальные регистры;
3. УУ продолжает читать код команды и распознает операции, которые записаны в коде. Далее выдается сигнал в АЛУ для выполнения найденных операций;
4. На этом этапе происходит вычисление операций в АЛУ и сохранение результата в самом ЦПУ. Если в команде присутствовал адрес ячейки для хранения результата, он будет помещен в нее;
5. Этапы 1-4 повторяются в порядке очереди до тех пор, пока УУ не “наткнется” на команду “стоп”, которая и означает конец инструкций.

Характеристики

Характеристики любого центрального процессора оказывают большое влияние на быстродействие как отдельных элементов системы, так и всего комплекса устройств в целом. Среди основных характеристик, влияющих на параметры производительности, выделяют:

• Тактовая частота; Для обработки одного фрагмента данных, передаваемых внутри ПК, требуется один такт времени. Отсюда следует, что чем выше тактовая частота приобретаемого ЦП, тем быстрее работает устройство обрабатывая за раз большие массивы информации. Измеряется тактовая частота в мегагерцах. Один мегагерц эквивалентен 1 миллиону тактов в секунду. Старые модели имели маленькую частоту, из-за чего скорость работы оставляла желать лучшего. Современные модели имеют большие показатели тактовой частоты, позволяя быстро обрабатывать и выполнять самые сложные наборы команд.
• Разрядность; Информация, предназначенная для обработки ЦП, попадает в него через внешние шины. От разрядности зависит какой объем данных передается за один раз. Это влияет на быстродействие. Старые модели были 16 разрядными, а современные имеют 32 или 64 разряда. 64 разрядная система на сегодняшний день считается самой продвинутой и под нее разрабатываются современные программные продукты и устройства.
• Кеш – память; Используется для увеличения работы устройства в компьютере, создавая буферную зону, хранящую копию последнего массива данных, обработанного процессором. Это дает возможность быстро выполнить схожую операцию в случае необходимости, без траты времени на обращение к общей памяти персонального компьютера.
• Сокет; Вариант крепления устройства к материнской плате. Разные поколения процессоров, как и материнских плат имеют собственный поддерживаемых сокетов. Это стоит учитывать при покупке. У разных производителей сокеты также отличаются друг от друга.
• Внутренний множитель частоты; Процессор и материнская плата работают на разных частотах и для их синхронизации друг с другом существует множитель частоты. Базовой или опорной считается рабочая частота материнской платы, которая умножается на персональный коэффициент ЦП.

Из побочных характеристик, напрямую не относящихся от технологии производства, выделяют тепловыделение и количество потребляемой во время работы энергии. Мощные устройства выделяют много тепла и требуют большую энергетическую подпитку во время работы. Для их полноценной работы применяются вспомогательные системы охлаждения.

Перспективы развития процессоров, что их ожидает

В будущем технологический прогресс достигнет физических пределов производство, что должно послужить триггером для изменений материальной части процессоров. В данной области выделяют несколько перспективных направлений:

1. Оптические компьютеры, обрабатывают вместо электрических сигналов потоки света или фотоны.
2. Квантовые компьютеры, в основе функционирования которых квантовые эффекты. Современные инженеры уже работают над созданием функционирующих моделей квантовых процессоров.
3. Молекулярные компьютеры, представляют собой вычислительные системы, которые используют при работе вычислительные возможности молекул, как правило, органического происхождения. Молекулярные компьютеры основаны на идее вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

С развитием технологий и применением инновационных материалов удается сделать процессоры более быстрыми и экономичными. Например, компания Intel в перспективе может отказаться от использования свинца в конструкции микропроцессора

Производители уделяют повышенное внимание внутренней архитектуре и стараются уменьшить габариты транзисторов. Это способствует повышению производительности устройств и удешевлении их производства

Для предотвращения роста токов утечки и повышения энергопотребления требуется использовать новый диэлектрик для более компактных транзисторов.

Увеличение объема кэша должно положительно влиять на параметр скорости работы программного обеспечения. Теоретически, данное нововведение приведет к ускорению работы приложений, основанных на сканировании трактов данных. Благодаря новым техпроцессам, будущие процессоры будут обладать низким тепловыделением и улучшенным температурным режимом работы.

Есть предположение, что усовершенствованные чипы должны стать гетероструктурными. При условии полной гетероструктурности внутреннее строение процессора перемешано, то есть компоненты всех сопроцессоров встроены во внутреннее пространство вычислительных ядер так, что отделить их на плате не представляется возможным. Возможно, потребуются пара особых узлов, которые будут располагаться внутри процессора, и специальная сетка сверху для объединения всех элементов на верхнем уровне.

Характеристики процессора

Практически любой процессор можно охарактеризовать тремя критериями.

1. Тактовая частота. Это показатель, который отображает, какое количество задач в секунду может решать процессор. Чем больше это число, тем быстрее будет работать компьютер (или другое устройство), ведь тогда процессор сможет быстрее проводить вычисления и другие операции. За 1 такт процессор успевает выполнить какую-то часть своей задачи. Больше тактов – быстрее работа. Частота измеряется в мегагерцах (МГц). 1 МГц = 1 млн. тактов в секунду;
2. Разрядность. Разрядность процессора – наибольшее число разрядов двоичного кода, с которым может работать процессор. ЦП, имеющий более высокую разрядность, может работать с более сложной и объемной информацией;
3. Ядра и потоки. Ядро – физически обособленная часть процессора, которая имеет собственное вычислительное устройство и способно выполнять операции. Например, процессор, имеющий 1 ядро и 1 поток (или виртуальное ядро), может работать только над 1 операцией. Он переключается между инструкциями в порядке очереди и пока не выполнит существующую, не начнет выполнять следующую. Если ядер больше, например 4 (и 1 поток), то операций, которые могут выполняться одновременно также 4. Такие ЦПУ называются многоядерными. Что такое потоки? Теоретически, это то же самое, что и ядра. При наличии, например, 1 ядра и 2 потоков (ядро разбивается на 2 части) сразу 2 задачи (1*2) могут выполняться одновременно. Это называется гиперпоточностью. Когда ядро может виртуально разделяться на части и выполнять параллельно несколько задач. Если ядер 8, каждое из которых может работать над 2 операциями одновременно, получаем 8*2 = 16 операций “за 1 подход”.