Основные параметры процессора

1. разрядность регистров микропроцессора;

2. разрядность шины данных;

3. разрядность шины адреса.

Разрядность регистров- это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин "разрядность микропроцессора", то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов. В настоящее время используются 18,16-, 32- и 64-разрядные процессоры, причем практически все современные программы рассчитаны на 32- и 64-разрядные процессоры. Часто уточняют разрядность процессора и пишут, например, 16/20, что означает, что процессор имеет 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса.

Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина "внешнего машинного слова". Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM PC (Intel 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова- всего 8 бит. В его современнике Intel 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intel применила на микропроцессоре 80386SX, а также на всех процессорах Pentium (исключая последние 64-разрядные).

Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины. Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 220 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intel 80386, микропроцессоры Intel длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб. Современные микропроцессоры AMD и Intel (с технологией EM64T) поддерживают 64-разрядную адресацию памяти, но для реализации этого режима необходима 64- разрядная версия Windows. Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти процессора и, соответственно, максимальный объем оперативной памяти, которую можно непосредственно использовать.

Виртуальная память

Виртуальная память - это сочетание памяти ОЗУ и временного хранилища на жестком диске. Если памяти ОЗУ недостаточно, данные из оперативной памяти помещаются в хранилище, которое называется файлом подкачки. Перемещение данных в файл подкачки и из него освобождает достаточно оперативной памяти для выполнения операции. Принцип использования виртуальной памяти заключается в следующем. Когда на компьютере не хватает памяти для загрузки каких-то программ или данных, операционная система временно освобождает часть оперативной памяти и запоминает данные на жестком диске. Если эти данные потребуются, система освободит другую часть памяти, а эти данные перенесет с диска в память. В результате жесткий диск начинает выполнять функции, аналогичные оперативной памяти. В качестве буфера для временного хранения данных, взятых из памяти, используется системный файл, называемый файлом подкачки или виртуальной памятью. Именно благодаря умению совместно использовать оперативную и виртуальную память операционная система и позволяет нам одновременно загружать несколько программ и файлов, даже если их совокупный размер превышает возможности оперативной памяти. Однако жесткий диск — устройство гораздо более медленное, чем микросхемы памяти, поэтому чем реже операционная система обращается к виртуальной памяти, тем лучше, именно поэтому увеличение объёма оперативной памяти весьма благотворно сказывается на производительности компьютера.

Максимальный объем адресуемой памяти

Этот показатель напрямую зависит от количества разрядов n шины адреса и рассчитывается по формуле 2n. Как правило, процессор теоретически может адресовать гораздо больший объем оперативной памяти, чем тот, который фактически можно установить на конкретной системной плате. Например, системная плата на чипсете Intel 80440BX может работать не более чем с 512 Мбайт оперативной памяти, хотя процессор Pentium-II может адресовать теоретически 4 Гбайта памяти.

Кеш

Кэш- промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Кэш процессора представляет собой блок высокоскоростной памяти, место для которого отведено на ядре процессора. Благодаря кэшу процессор демонстрирует большую производительность. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Рис.2 Кэш-память находиться между процессором и основной памятью.

Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Диаграмма кэша памяти ЦПУ

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 384 Кбайт.

Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов.

Тактовая частота

Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Таким образом, с увеличением у процессора значения тактовой частоты повышается скорость обработки данных.Под тактом мы понимаем промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Под тактом понимается одна операция. Тактовую частоту можно измерить и определить ее значение. Единица измерения частоты - МГц – миллион тактов в секунду; ГГц-миллиард тактов в секунду. 2,21 ГГц означает, что процессор сможет за одну секунду справиться с 2 миллиардами 216 миллионом операций. Работа всех устройств микропроцессора синхронизируется, т.е. согласовывается благодаря электрическим импульсам тактовой частоты, вырабатываемых специальной микросхемой, называемой тактовым генератором. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией- производителем. Существует возможность некоторого увеличения тактовой частоты процессора пользователем путём перестановки специальных перемычек на материнской плате либо изменением настроек в программе конфигурации компьютера, однако делать это без крайней нужды не следует по ряду причин: фирма- производитель назначает тактовую частоту оборудования не произвольно, а так, чтобы компьютер работал с максимальной скоростью устойчиво, без сбоев.

Напряжение питания процессора

Номинальное напряжение питания ядра процессора- параметр, указывающий напряжение, которое необходимо процессору для работы (измеряется в вольтах). Он характеризует энергопотребление процессора и особенно важен при выборе CPU для мобильной, нестационарной системы. В последнее время явно прослеживается тенденция к снижению напряжения питания процессоров. Наиболее очевидным следствием этого является снижение потребляемой мощности. Конечно, если потребляемая мощность меньше, то функционирование системы обходится дешевле; еще более важно снижение потребляемой мощности для переносных систем, так как благодаря этому компьютер может работать намного дольше на одной и той же батарее. Еще одним преимуществом является то, что при пониженном напряжении, а следовательно, и при более низкой потребляемой мощности выделяется меньше тепла. Процессор и вентилятор можно размещать ближе к другим компонентам, т.е. упаковка системы может быть более плотной; кроме того, срок службы процессора возрастает. К преимуществам можно отнести и то, что процессор вместе с вентилятором потребляет меньшую мощность, а потому может работать быстрее. Именно благодаря снижению напряжения удалось повысить тактовую частоту процессоров.

Техпроцесс

Техпроцесс - это масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора (эти цепи состоят из соединенных соответствующим образом между собой транзисторов). Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению характеристик процессоров. Для сравнения, у ядра Willamette, выполненного по техпроцессу 0.18 мкм - 42 миллиона транзисторов, а у ядра Prescott, техпроцесс 0.09 мкм - 125 миллионов. Чем меньше техпроцесс, тем меньше энергопотребление процессора (и как следствие не нужен мощный и шумный кулер), повышается быстродействие процессора, увеличивается количество транзисторов на одинаковой площади.

Число транзисторов - определяет количество транзисторов, интегрированных в ядре. Считается общая сумма транзисторов на всех пластинах. Измеряется в миллионах (млн) Количество транзисторов характеризует мощность процессора. Для производства более мощных процессоров необходимо использовать большее количество транзисторов — это означает, что транзисторы должны быть как можно более маленькими.Технологические усовершенствования в производстве интегральных схем позволяют уменьшать размеры схем. Ранее считалось, что нельзя использовать технологические нормы менее 1 микрона. Но современные процессоры построены по 0,25-0,18 микронной технологии, а самые последние модели достигли уровня 0,13 микрон. В перспективе технологическую норму изготовления интефальных схем реально довести до 0,08 микрон. Кроме того, важна проблема отвода тепла от кристалла микропроцессора. Увеличение количества транзисторов в кристалле приводит к выделению дополнительной тепловой энергии, поэтому размер каждого отдельного транзистора должен становиться как можно меньше. Размер и компоновка транзисторов влияет и на размер кристалла микропроцессора.

Размер кристалла характеризует его физическую площадь и измеряется в квадратных миллиметрах (мм2). Чем меньше размер кристалла микропроцессора, тем больше можно их получить из одной подложки, что снижает себестоимость производства и делает их более дешевыми. Чем меньше размер кристалла микропроцессора, тем меньше и его энергопотребление. Чем кристаллы меньше, тем их больше можно уместить, следовательно увеличить тактовую частоту. Да и на меньший кристалл нужно меньше подавать напряжения, поэтому и тепловыделение уменьшается, поэтому опять же можно увеличить тактовую частоту.

Потребляемый ток - ток, который потребляет процессор при максимальной загрузке. Если умножить потребляемый ток на напряжение процессора, можно получить потребляемую процессором мощность. Потребляемая мощность – одна из электрических характеристик процессора, которая характеризует максимальное расчетное значение потребляемой мощности. Как правило, употребляя термин потребляемая мощность, имеется в виду максимальная потребляемая мощность, потребляемая всеми компонентами процессора в соответствии с логикой выполнения команды. Диапазон потребляемой мощности может варьироваться от 1 до 100Вт. Следствием потребления электрической энергии является нагрев процессора или выделение тепловой энергии. Тепловыделение - показывает выделяемую в виде тепла мощность. Напрямую зависит от потребляемой мощности и толщины пластины. Это и есть ключевой параметр, определяющий температуру, до которой нагревается процессор. Измеряется в Ваттах (Вт)