ProcesorProcesor

ArchitekturaArchitektura

Procesor (ang. processor) nazywany często CPU (ang. Central Processing Unit)

-urządzenie cyfrowe sekwencyjne potrafiące pobierać dane z pamięci,

interpretować je i wykonywać jako rozkazy. Wykonuje on bardzo szybko ciąg

prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych

określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów

procesora.

Budowa procesoraBudowa procesoraMikroprocesor jest to arytmetyczno-logiczna jednostka centralna komputera.

Termin mikroprocesor został użyty po raz pierwszy w 1972 r., jednakże "era"

mikroprocesorów rozpoczęła się w 1971 r. wraz z wprowadzeniem przez

firmę Intel układu 4004 -mikroprogramowalnego komputera jednoukładowego. W układzie tym umieszczono 4 bitowy sumator, 16 czterobitowych rejestrów,

akumulator i stos, czyli podstawowe podzespoły jednostki centralnej systemu

komputerowego. Układ 4004, składający się z 2300 tranzystorów, mógł

wykonywać 445 różnych instrukcji, przy czym architektura była zbliżona

do układów kalkulatorowych.

Współczesne procesory (zwane mikroprocesorami) wykonywane są zwykle

jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej

złocone wyprowadzenia (stosowane ze względu na własności stykowe tego

metalu). Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką

fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności

od zastosowania, sieć od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów.

Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź). Ważnym parametrem

procesora jest rozmiar elementów budujących jego strukturę. Im są one

mniejsze tym niższe jest zużycie energii, napięcie pracy oraz wyższa

częstotliwość pracy.

Producenci procesorówProducenci procesorów

IBM/Cyrix/VIA

TEXAS Instruments

http://pl.wikipedia.org/wiki/Lista_procesor%C3%B3w_AMD

Proszę zapoznać się i wypisać kilka najpopularniejszych procesorów z firm:

AMD

Intelhttp://pl.wikipedia.org/wiki/Mikroprocesory_firmy_Intel

ALU?!ALU?!

Jednostka arytmetyczno-logiczna

(ang. Arithmetic and Logical Unit lub Arithmetic Logic Unit)

to jedna z głównych części procesora, prowadząca proste operacje na

liczbach całkowitych.

Typowy symbol ALU: A i B - operandy; R - wyjście; F - wejście z jednostki kontrolnej; D - status wyjścia

Typowe ALU ma dwa wejścia odpowiadające parze argumentów i jedno wyjście na wynik. Operacje jakie prowadzi to:

• operacje logiczne AND, OR, NOT, XOR

• dodawanie

• często też, odejmowanie, negacja liczby, dodawanie z przeniesieniem, zwiększanie/zmniejszanie o 1

• przesunięcia bitowe o stałą liczbę bitów, czasem też o zmienną liczbę

• dość często mnożenie i czasem dzielenie/modulo

Wiele innych układów może mieścić w sobie ALU:

- GPU (jednostka przetwarzania graficznego) – np. karty graficzne

- FPU (jednostka obliczeń zmienno-przecinkowych) – np. karty muzyczne

Zasada działaniaZasada działaniaZe względu na przepływ danych i rozkazów w procesorze, można wyróżnić w nim kilka zasadniczych modułów:

1. Blok wstępnego pobierania i dekodowania instrukcji. Odpowiada on za

dostarczenie kolejnych poleceń z pamięci operacyjnej i przekazanie

ich do odpowiedniej jednostki wykonawczej.

2. Główny blok wykonawczy to jednostka arytmetyczno-logiczna ALU.

Zapewnia ona prawidłowe przetworzenie wszystkich danych

stałoprzecinkowych. ALU wyposażony jest w niewielka zintegrowana

pamięć, nazywana zestawem rejestrów. Każdy rejestr to pojedyncza

komórka używana do chwilowego przechowywania danych i wyników.

3. FPU, czyli koprocesor wykonujacy wszystkie obliczenia

zmiennoprzecinkowe

4. Po zakończeniu "obliczeń" dane będące wynikiem przetwarzania trafiają

do modułu wyjściowego procesora. Jego zadaniem jest przekierowanie

nadchodzących informacji np. do odpowiedniego adresu w pamięci

operacyjnej lub urządzenia wejścia/wyjścia.

Cache procesorówCache procesorów

Listy rozkazów

Cache (pamięć podręczna) to mechanizm, w którym ostatnio

pobierane dane dostępne ze źródła o wysokiej latencji* i niższej

przepustowości są przechowywane w pamięci o lepszych parametrach.

* Latencja – okres utajenia, czas od wystąpienia przyczyny do zaistnienia skutku.

L3 wykorzystywana w procesorach 2 i 4 rdzeniowych

Pamięć cache przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM.

Charakteryzuje się bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do

przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane.

Na współczesnych procesorach są 2 lub 3 poziomy pamięci cache:

• L1 (zintegrowana z procesorem),

• L2 i L3 (umieszczone w jednym chipie razem z procesorem, lub na płycie głównej).

L-1 – zlokalizowana we wnętrzu procesora pamięć podręczna pierwszego

poziomu. Przyspiesza dostęp do bloków pamięci wyższego poziomu, który

stanowi zależnie od konstrukcji pamięć operacyjną lub pamięć podręczną

drugiego poziomu (L2). Z uwagi na ograniczenia rozmiarów i mocy procesora

zawsze jest najmniejsza. Umieszczona jest najbliżej głównego jądra

procesora i umożliwia najszybszą komunikację procesora.

L2 – wykorzystywana w procesorze pamięć podręczna drugiego

poziomu, zbudowana z modułów pamięci typu SRAM, umieszczona często

bezpośrednio na jądrze procesora. Pamięć drugiego poziomu jest

wykorzystywana gdy pamięć zajęta jest pamięć pierwszego poziomu.

Na bardzo starych procesorach była tylko pamięć poziomu pierwszego

(pentium mmx i podobne). Pamięć drugiego poziomu pozwala na potężny

wzrost wydajności w wielu aplikacjach i programach. Kiedy zaczyna brakować

pamięci na drugim poziomie, komputer szuka "pomocy" w pamięci RAM,

jednak to znacząco spowalnia pracę komputera.

Podział gniazd procesorówPodział gniazd procesorów

slot – wyglądem przypomina sloty ISA, PCI i AGP

socket – poziomo położona prostokątna płytka, zawierająca dziurki na piny procesora lub piny, na które wkłada się procesor

Istnieje jeszcze wiele innych gniazd, które jednak są już nie stosowane.

Gniazda procesów INTELGniazda procesów INTEL

Socket 7 (Super Socket 7)Intel Pentium, Intel Pentium MMX, AMD K5, K6-2,2+,III, Cyrix M1, M2,

Winchip

Socket 8Intel Pentium Pro

Slot 1Intel Pentium II, III

Celeron 266-433Mhz

 

                   

  Socket 370Intel Pentium III, Intel Celeron,

Intel Celeron II, VIA Cyrix III

Socket 423Intel Pentium 4 (1300-2000 MHz)

Socket 478Intel Pentium 4 (1300-2000 MHz)Intel Pentium 4 (2000-2200 MHz)

Socket AAMD Athlon, AMD Athlon

XP, AMD Duron 

                                     

Slot AAMD Athlon

Gniazda procesów AMDGniazda procesów AMD

Obecnie używane gniazda pod procesory na płytach głównych:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Lista_gniazd_procesorowych

Sockety firmy AMD:

Socket 754 - Athlon 64, Sempron, Turion 64

Socket 939 - Athlon 64, Sempron

Socket 940 - Athlon 64, Opteron

Sockety firmy Intel:

Socket 478 - Intel Pentium 4, Celeron, Pentium 4 Extreme Edition, Pentium M Socket N

Socket 479 - Intel Pentium M i Celeron M

LGA 775 (Socket 775 lub Socket T) - Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon 3000 series, Core 2 Quad; (LGA 775).

Dla ciekawskich

Architektura procesorówArchitektura procesorów

CISC (Complex Instruction Set Computers)

– nazwa architektury mikroprocesorów o następujących cechach:

• duża liczba rozkazów (instrukcji)

• mała optymalizacja – niektóre rozkazy potrzebują dużej liczby cykli procesora do wykonania

• występowanie złożonych, specjalistycznych rozkazów

• duża liczba trybów adresowania

• do pamięci może się odwoływać bezpośrednio duża liczba rozkazów

• mniejsza od RISC-ów częstotliwość taktowania procesora

• powolne działanie dekodera rozkazów

RISC (Reduced Instruction Set Computers)

- nazwa architektury mikroprocesorów która została przedstawiona pod

koniec lat 70. w teoretycznych pracach na uniwersytecie Berkeley oraz

w wynikach badań Johna Cocke z Thomas J. Watson Research Center.

1. Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba

wynosi kilkadziesiąt, podczas gdy w procesorach CISC sięga setek.

Upraszcza to znacznie dekoder rozkazów.

Podstawowe cechy

Bardziej wydajny od CISC

2. Redukcja trybów adresowania, dzięki czemu kody rozkazów są prostsze,

bardziej zunifikowane, co dodatkowo upraszcza wspomniany wcześniej

dekoder rozkazów. Ponadto wprowadzono tryb adresowania, który ogranicza

ilość przesłań - większość operacji wykonuje się wg schematu:                                    

                   3. Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem.

Przede

wszystkim do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służą

dedykowane instrukcje, które zwykle nazywają się load (załaduj z pamięci),

oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje mogą operować

wyłącznie na rejestrach. Schemat działania na liczbach znajdujących się w

pamięci jest następujący: załaduj daną z pamięci do rejestru, na zawartości

rejestru wykonaj działanie, przepisz wynik z rejestru do pamięci.

4. Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, podczas gdy np. w

architekturze x86 jest zaledwie 8 rejestrów), co również ma wpływ na

zmniejszenie liczby odwołań do pamięci.

5. Dzięki przetwarzaniu potokowemu (ang. pipelining) wszystkie rozkazy

wykonują się w jednym cyklu maszynowym, co pozwala na znaczne

uproszczenie bloku wykonawczego, a zastosowanie superskalarności także

na umożliwienie równoległego wykonywania rozkazów. Dodatkowo czas

reakcji na przerwania jest krótszy.

Instrukcje procesorówInstrukcje procesorówProducenci nowoczesnych procesorów za podstawowy kierunek rozwoju

technologicznego obrali rozszerzenie multimedialnych możliwości układu.

Poszerzone listy rozkazów operujące na stało- i zmiennoprzecinkowych

macierzach znacząco przyspieszają obróbkę grafiki, dźwięku czy

generowanie obrazów 3D.

MMX

Pierwszym wprowadzonym rozszerzeniem multimedialnym, wbudowanym we wszystkie obecnie produkowane modele procesorów, jest zestaw 57 instrukcji arytmetyki stałoprzecinkowej typu SIMD, znany pod nazwą MMX.

Instrukcje IntelaInstrukcje Intela

SSERównież Intel wprowadził w swoich procesorach Pentium III, instrukcje

zmiennoprzecinkowe SIMD-FP. Instrukcje te są wykonywane przez

wyspecjalizowaną jednostkę operującą na ośmiu 128-bitowych dedykowanych

rejestrach - co sprzyja optymalizacji kodu programu.

SSE2Zestaw instrukcji SSE poszerzony o 144 nowe rozkazy umożliwiające operacje na 128-bitowych liczbach zmiennoprzecinkowych o pojedynczej i podwójnej

precyzji oraz 128-bitowych operandach stałopozycyjnych (Pentium 4)

Instrukcje AMDInstrukcje AMD

3DNow!

Firma AMD wprowadziła 21 nowych instrukcji zmiennoprzecinkowych typu

SIMD-FP zorientowanych na wspomaganie grafiki trójwymiarowej. Był to

pierwszy przypadek wprowadzenia tak istotnych zmian do architektury

procesora przez firmę inną niż Intel. SIMD-FP procesorów AMD wykorzystuje

do działania połączone w pary 64-bitowe rejestry MMX - co niestety, utrudnia

automatyczną optymalizację kodu programu, gdyż wymagany jest podział

danych na dwa segmenty

3DNow! Professional

W najnowszych procesorach Athlon XP i Duronach (z zegarem 1000MHz

i wyżej) wprowadzono instrukcje w 100% zgodne z intelowskim SSE.

3DNow! Enhanced

Do grupy poleceń 3DNow! dodano 24 nowe komendy wspomagające operacje

przetwarzania liczb stałoprzecinkowych, przesyłania danych pomiędzy pamięcią

cache a jednostką wykonawczą oraz przyspieszające cyfrowe przetwarzanie

sygnałów. (procesory Athlon XP i Duron)