Собственная платформа. часть 0.1 теория. немного о процессорах

Набор команд микрокомпьютера

Основные характеристики микропроцессора также определяются набором инструкций.

Обычно он состоит из 5 групп:

1. Группа передачи данных. Данные команды помогают перемещать информацию между регистрами внутри микропроцессора, между памятью и регистром или ячейками памяти.
2. Арифметическая группа позволяет складывать, вычитать, увеличивать или уменьшать данные в памяти или регистрах (например, сложить содержимое двух регистров ЦПУ).
3. Логическая группа используется для операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, сравнения, циклического сдвига, дополнения данных в памяти или регистрах (например, чтобы пропустить через схему ИЛИ содержимое двух регистров микропроцессора).
4. Группа ветвления включает безусловные и условные переходы, вызов подпрограмм и возвращение из них. Условные инструкции служат для того, чтобы определенная операция выполнялась только в случае выполнения определенного условия (например, если требуется перейти к конкретной команде, когда результат последнего вычисления был равен нулю). Они обеспечивают возможность программе самой принимать решения.
5. Группа стека, ввода-вывода и управления микропроцессором производит передачу данных между ЦПУ и периферией, манипулирует стеком и изменяет внутренние флаги управления. Эти команды позволяют программисту остановить устройство, перевести его в нерабочее состояние, включить и отключить систему прерываний и т. д.

Инструкции, которые хранятся вместе с данными в памяти, могут иметь длину в 1 или несколько байт. Длинные команды хранятся в последовательных ячейках памяти, причем адрес первого байта всегда используется как адрес всей команды. Кроме того, первый байт всегда является кодом операции.

Устройство процессора

Ключевыми компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и устройство управления. АЛУ выполнят основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.

Кэш данных и команд хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем лучше.

Работа процессора

Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти.

(Работа процессора сложнее, чем это изображено на схеме выше. Например, данные и команды попадают в кэш не сразу из оперативной памяти, а через блок предварительной выборки, который не изображен на схеме. Также не изображен декодирующий блок, осуществляющий преобразование данных и команд в двоичную форму, только после чего с ними может работать процессор.)

Блок управления помимо прочего отвечает за вызов очередной команды и определение ее типа.

Арифметико-логическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.

Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было команды перехода или останова).

Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.

Виды процессоров

Чтобы понять, что же такое виды процессоров, необходимо обозначить понятие архитектуры. Архитектура – совместимость процессора с различными наборами команд. Каждый процессор при решении задачи и выполнении каких-либо операций руководствуется базовым набором, заложенных в нем архитектурой команд.

• CISC-платформа (CISC – Complex Instruction Set Computer). Одна из наиболее самых архитектур, которая представлена семейством х86. Такая архитектура подразумевает наличие сложных наборов команд. Благодаря этому платформа х86 является универсальной, так как поддерживает инструкции на любой случай. Кроме того, это еще и высокопроизводительный вариант, в сравнении с другими платформами. Но у такой архитектуры есть и свои минусы: запутанность команд и плохая энергоэффективность;
• RISC-платформа (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Более усовершенствованная версия CISC. Идея данной платформы – использовать только самые необходимые и упрощенные команды, избавиться от сложности и запутанности. RISC-процессоры более просты и оптимизированы, энергоэффективны и меньше, чем их CISC “коллеги”;
• MISC-платформа (MISC – Minimum Instruction Set Computer) – архитектура с минимальным набором команд, используемых для совершения операций. Идея MISC, как и RISC-платформы также заключается в минимизации числа команд для проектирования более простых и оптимизированных чипов. Фактически, та же самая архитектура, что и RISC, но еще более настроенная на простоту;
• VLIW-платформа (Very Long Instruction Word) – архитектура с несколькими вычислительными устройствами (АЛУ). Во многом по своей логике является продолжением RISC. Ключевое отличие – акцент на принципе параллельных вычислений, когда сразу несколько операций могут выполняться одновременно.

Зачем нужен процессор?

Процессор — это главная микросхема в компьютере (естественно и одна из самых дорогих). На сегодня самыми распространенными процессорами являются ЦП (центральный процессор) фирмы INTEL и AMD, точнее только они и остались. Какой из них лучше, этого сказать я не могу, так как они все время соревнуются, и чуть ли не каждый месяц выпускают новые модели. Одни говорят что лучше использовать Intel для работы, а AMD Athlon для игр, другие — наоборот. В интернете есть кучи тестов этих процессоров, но если я вам начну их приводить, то боюсь, что большую часть из них вам будет трудно понять, просто надо всего понемножку и постепенно, дабы глобус не опух! 😉 Одно я знаю точно — Intel стоят немного дороже. Ну и естественно, у этих процессоров разные разъемы, вот и получается что материнские платы делятся на 2 самые большие категории:

1. Для процессоров Intel.

2. Для процессоров AMD.

Запомните — процессоры этих фирм не совместимы, т.к. у них разные разъемы.

Главная часть в процессоре — это его ядро. Несколько лет назад производители ЦП уперлись в потолок, доведя мощность своих детищ до предела. Долго они думали, гадали, что ж дальше делать-то, и почесав свою умную репу, решили развивать мощность процессоров не в высоту, а вширь. Так вот и начали обзаводиться ЦП не с одним ядром, а с двумя. Это естественно дало преимущество в производительности, за счет того, что теперь они могут делать не одну задачу, а сразу две одновременно. Двухъядерные процессоры на сегодня самые распространенные, но уже часто можно встретить на прилавках магазинов процессоры на базе трех ядер. Где-то встречаются уже и «четырехъядерники». Естественно и цена на них ох какая кусачая!

Различить какой процессор двухъядерный, а какой трехъядерный — проще пареной репы!

При покупке обратите внимание (меньше двухъядерного не берите):

1. У процессоров AMD следующие наименования моделей:

· Sempron — одноядерные.

· Athlon — двухъядерные (начиная с Athlon 3800+ и выше).

· Phenom X3 — трехъядерные.

· Phenom X4 — четырехъядерные.

2. Что касается Intel:

· Celeron — одноядерные.

· Сore 2 duo — двухъядерные.

· Core 2 Extreme и Core 2 Quad — четырёхъядерные.

Трехъядерных фирма Intel вроде как не выпускала.

Основной характеристикой процессоров является их тактовая частота (измеряется в герцах, Гц), это частота показывает, сколько операций сможет обработать процессор за одну секунду. НАПРИМЕР: если система показывает, что у вашего процессора частота составляет 2Ггц, это значит — ваш процессор может обрабатывать около 2-х миллиардов операций в секунду! Фантастически, не правда ли? Но на сегодня это не большая частота, чуть ниже среднего. Если брать новые модели, то там частота весомо превышает приведенную мною выше.

В каждом современном процессоре есть кэш. КЭШ — это встроенная в самом процессоре память. В современных моделях используется 2-ва уровня КЭШа. Используется эта память для ускорения работы ЦП. В нее записываются команды, которые чаще всего использует процессор, что-то вроде оперативки, только по объему намного меньше и намного быстрее. В серверах используется процессоры с тремя уровнями КЭШ-памяти.

Ну и главной отличительной особенностью являются естественно разъемы процессора. На данный момент самые ходовые разъемы процессоров AMD является socket (разъем) AM2+, более новый — AM3 (в слот AM3 можно вставить процессоры с разъемом AM2, и AM2+, т.к. они одинаковы, но если в слот AM2+ вставить ЦП с разъемом AM3, то компьютер не определит этот процессор, придется перепрошивать BIOS, т.к. у AM3 используются более новое программное обеспечение.), а у процессоров фирмы Intel — socket 775. Отображать картинки этих разъемов я счел ненужным, т.к. это вам ничего не даст. Просто при покупке смотрите внимательно на характеристики компьютера, там обязательно будут указаны разъемы, или спросите у продовца. Так же они будут указаны на коробках процессора и материнской платы.

Основы работы персонального компьютера и его устройство.

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”.

Что важнее — нанометры или плотность

Многие ругают Intel за то, что они ещё не смогли выпустить свой коммерческий процессор на архитектуре 5 или 7 нм, как это делают Apple и Qualcomm. Но вот по плотности размещения транзисторов — Intel безусловный лидер. На один квадратный миллиметр 10 нм процессора Intel помещается на целых 5% больше транзисторов, чем в чипах от Apple, Qualcomm или AMD. Кстати, последние поколения процессоров от этих трёх брендов производит TSMC. 

В интернете я наткнулся на сравнительную табличку процессоров Intel и TSMC:

Обратите внимание на 10- и 7-нанометровые чипы у Intel и TSMC соответственно. Размеры составляющих у них почти идентичны, поэтому 10-нанометров Intel не сильно-то и уступают 7 нм у TSMC

А вот по производительности, за счёт повышенной плотности транзисторов, как я уже сказал выше, даже выигрывают.

Однако, чем больше плотность — тем больше нагрев, поэтому чипы Intel не подойдут для использования в мобильной технике. Зато TSMC выигрывает в плане меньшего энергопотребления и тепловыделения.

А вот тут вы можете сказать — «стоп, но как Intel выдаёт больше производительности, если Apple M1, который производит TSMC разносит старые десктопные процессоры в пух и прах». Да, это действительно так, на деле Apple M1 действительно превосходит в вычислениях Intel, но причина тут не сколько в количестве транзисторов или техпроцессе, сколько в том, насколько эффективно процессор работает с этими транзисторами. В Intel x86 есть много лишних блоков команд, которые TSMC в некоторых производимых чипах, не использует. Об этом более подробно мы писали в отдельном материале с разбором x86 и Apple M1.

Инструкции микропроцессора

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

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.

Кэш

Быстрая память, или кэш — это буфер между процессором и контроллером системной памяти, которая является достаточно медленной. Этот компонент предназначен для того, чтобы увеличить общую производительность всего устройства в целом. Для достижения этой цели в буфер передаются и хранятся блоки данных, которые отрабатываются в данный момент, и поэтому процессор не бывает вынужден постоянно обращаться к системной памяти.

Кэш делится на три уровня:

Первый уровень L1

Он подразделяется на два кэша — инструкций и данных, является самым быстрым и производит работу непосредственно с ядром процессора.

Второй уровень L2

С L1 взаимодействует кэш L2. Он в разы больше по объему и является целостным.

Третий уровень L3

У некоторых современных микропроцессоров существует еще и третий уровень, который больше двух предыдущих, но работает на порядок медленнее. Дело в том, что шина между 2-м и 3-м уровнем уже, чем между 1-м и 2-м. Однако скорость 3-го уровня все равно значительно выше, чем скорость системной памяти. В зависимости от того, повторяется ли информация, попадающая в кэш, на разных уровнях, или нет, различают два типа этой составляющей процессора: эксклюзивный и не эксклюзивный. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому трудно сказать, какой из них лучше. Можно только отметить, что первый тип используется в микропроцессорах AMD, а второй — в Intel.

Из чего состоит современный микропроцессор?

Структура процессора сегодня представлена следующими основными элементами:

• Собственно, ядро процессора. Наиболее важная деталь, сердце устройства, которая называется также кристаллом или камнем современного микропроцессора. От характеристик и новизны ядра напрямую зависит разгон и оперативность работы микропроцессора.
• Кэш-память является небольшим, но очень быстрым накопителем информации, расположенным прямо внутри процессора. Используется микропроцессором в целях значительного уменьшения времени доступа к основной памяти компьютера.
• Специальный сопроцессор, благодаря которому и производятся сложные операции. Такой сопроцессор в значительной мере расширяет функциональные возможности любого современного микропроцессора и является его неотъемлемой составляющей. Встречаются ситуации, когда сопроцессор является отдельной микросхемой, однако, в большинстве случаев, он встроен непосредственно в компьютерный микропроцессор.

Путем буквального разбора компьютерного процессора мы сможем увидеть следующие элементы строения, представленные на схеме:

Верхняя металлическая крышка используется не только для защиты «камня» от механических повреждений, но также для отвода тепла.
Непосредственно, кристалл или камень является самой важной и дорогостоящей деталью любого компьютерного микропроцессора.Чем сложнее и совершеннее такой камень, тем быстродействующей является работа «мозга» любого компьютера.
Специальная подложка с контактами на обратной стороне завершает конструкцию микропроцессора, как представлено на картинке. Именно благодаря такой конструкции тыльной стороны и происходит внешнее взаимодействие с центральным «камнем», непосредственно оказывать влияние на сам кристалл невозможно

Скрепление всего строения осуществляется с помощью специального клея-герметика.

Борьба гигантов компьютерных микропроцессоров

Речь, конечно же, пойдет о Intel и AMD. Основным отличием в принципах работы данных компаний является подход к производству новых компьютерных микропроцессоров.В то время, как Intel попеременно внедряет новые технологии наряду с небольшими изменениями, AMD делает крупные шаги в производстве с определенной периодичностью. Выше на фото представлены модели упомянутых компаний с отличительным внешним видом.

Лидерские позиции, в подавляющем большинстве случаев, удерживает все-таки Intel. «Камни» от AMD, хотя и уступают процессорам от Intel по производительности, нередко выигрывают у них в плане ценовой доступности. О том, какую компанию лучше выбрать можете почитать в этой статье.

Функции центрального процессора

Как уже было сказано, процессор выполняет в компьютере очень важную функцию. Производительность остальных компонентов зависит от мощности процессора. Если мощности процессора не хватит для стабильной загрузки приложения или игры, видеокарта тоже не сможет себя зарекомендовать. Давайте посмотрим, что делает центральный процессор:

• ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода / вывода;
• обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
• получать (читать) исполняемые команды;
• адресация памяти, т.е установка адреса памяти, с которой будет производиться обмен;
• управление прерываниями и режим прямого доступа.
• отправлять (записывать) данные в память или на устройства ввода / вывода;

Это основные функции процессора. Все эти функции он выполняет каждую секунду своей работы, обеспечивая стабильную работу компьютера.

Из чего состоит CPU

Центральный процессор состоит из 3-х частей:

1. Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать, выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
• Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.

Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

1. Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на скорость выполнения запросов.
2. Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

Главной характеристикой процессора является производительность. Она зависит от двух параметров: тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает машина.

Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.