Внутренняя архитектура современных процессоров

Реферат На тему: «Внутренняя архитектура современных процессоров»

Выполнили студенты БГУ ФМиИТ 24 группы Зайнетдинов Алмаз и Габдуллин Булат

2013 год

Введение

Современный процессор — это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.

Большинство современных процессоров состоит из:

1)одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций;

2)нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ;

3)контроллера ОЗУ;

4)контроллера системной шины

И характеризуется следующими параметрами:

1)типом микроархитектуры;

2)тактовой частотой;

3)набором выполняемых команд;

4)количеством уровней КЭШ-памяти и их объемом;

5)типом и скоростью системной шины;

6)размерами обрабатываемых слов;

7)наличием или отсутствием встроенного контроллера памяти;

8)типом поддерживаемой оперативной памяти;

9)объемом адресуемой памяти;

10)наличием или отсутствием встроенного графического ядра;

11)энергопотреблением.

Ядро Ядро. Нас с Вами пытаются заманить количеством ядер, количеством ядер на одном кристалле, мощными названиями ядер. Да, конечно стоит понимать, что разработчики каждый день привносят изменения в структуру ядра и компании-производители рады каждый год выпускать новое ядро, а соответственно и новую линейку процессоров. Зачастую смена процессора одной линейки на другой не приводит к сколько-нибудь значимому приросту производительности системы. Так что же кроется за звучным словом ядро?

Ядро процессора — это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.

На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков:

1)блока выборки инструкций;

2)блоков декодирования инструкций;

3)блоков выборки данных;

4)управляющего блока;

5)блоков выполнения инструкций;

6)блоков сохранения результатов;

7)блока работы с прерываниями;

8)ПЗУ, содержащего микрокод;

9)набора регистров;

10)счетчика команд.

Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования, так как необходимо на каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.

Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода. Это необходимо, чтобы после условного перехода максимально нагрузить конвейер ядра процессора.

Блоки декодирования, как понятно из названия, — это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т. е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции. Задача эта для большинства современных коммерческих процессоров, построенных на базе концепции CISC, — очень сложная. Дело в том, что длина инструкций и количество операндов — нефиксированные, и это сильно усложняет жизнь разработчикам процессоров и делает процесс декодирования нетривиальной задачей.

Часто отдельные сложные команды приходится заменять микрокодом — серией простых инструкций, в совокупности выполняющих то же действие, что и одна сложная инструкция. Набор микрокода прошит в ПЗУ, встроенном в процессоре. К тому же микрокод упрощает разработку процессора, так как отпадает надобность в создании сложноустроенных блоков ядра для выполнения отдельных команд, да и исправить микрокод гораздо проще, чем устранить ошибку в функционировании блока.

В современных процессорах, обычно, бывает 2−4 блока декодирования инструкций, например, в процессорах Intel Core 2 каждое ядро содержит по два таких блока.

Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций. Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных. Например, в процессорах Intel Core используется по два блока выборки данных для каждого ядра.

Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.

Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:

ALU — арифметическое логическое устройство;

FPU — устройство по выполнению операций с плавающей точкой;

Блоки для обработки расширения наборов инструкций. Дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики. На данный момент наиболее популярными расширениями наборов инструкция являются:

MMX (Multimedia Extensions) — набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видео-данных;

SSE (Streaming SIMD Extensions) — набор инструкций, разработанный компанией Intel, для выполнения одной и той же последовательности операций над множеством данных с распараллеливанием вычислительного процесса. Наборы команд постоянно совершенствуются, и на данный момент имеются ревизии: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4;

ATA (Application Targeted Accelerator) — набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы специализированного программного обеспечения и снижения энергопотребления при работе с такими программами. Эти инструкции могут использоваться, например, при расчете контрольных сумм или поиска данных;

3DNow — набор инструкций, разработанный компанией AMD, для расширения возможностей набора инструкций MMX;

AES (Advanced Encryption Standard) — набор инструкций, разработанный компанией Intel, для ускорения работы приложений, использующих шифрование данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.

Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями — одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к псевдопараллельной работе, т. е. к, так называемой, многозадачности.

Обработка прерываний происходит следующим образом. Процессор перед началом каждого цикла работы проверяет наличие запроса на прерывание. Если есть прерывание для обработки, процессор сохраняет в стек адрес инструкции, которую он должен был выполнить, и данные, полученные после выполнения последней инструкции, и переходит к выполнению функции обработки прерывания.

После окончания выполнения функции обработки прерывания, из стека считываются сохраненные в него данные, и процессор возобновляет выполнение восстановленной задачи.

Регистры — сверхбыстрая оперативная память (доступ к регистрам в несколько раз быстрее доступа к КЭШ-памяти) небольшого объема (несколько сотен байт), входящая в состав процессора, для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций. Регистры процессора делятся на два типа: регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций (MMX, SSE и т. д.).

Регистры специального назначения содержат системные данные, необходимые для работы процессора. К таким регистрам относятся, например, регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т. д. Доступ к этим регистрам жестко регламентирован.

Счетчик команд — регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.

Принцип работы ядра процессора.

Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом:

1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены;

2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования;

3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита — на 4) и передает управление в блок выборки данных;

4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;

5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку;

6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов;

7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1).

Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

Типы архитектур ядер операционных систем Монолитное ядро Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: Традиционные ядра UNIX, Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром, которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение. При этом подгрузка модулей может быть как динамической, так и статической.

Микроядро Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.

Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микро ядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микро ядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.

Примеры: Symbian OS; Windows CE; OpenVMS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.

Экзо ядро Экзо ядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками.

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Нано ядро Нано ядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры нано ядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на нано ядре. Первая версия вышла ещё в 1983;м году.

Гибридное ядро Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Microsoft Windows семейства NT: Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7.

Сокет (Socket)

Сокет (Socket) или разъём центрального процессора (CPU) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для интеграции чипа центрального процессора в схему материнской платы. Использование разъёма вместо прямой пайки микропроцессора на материнской плате упростило смену процессора для модернизации (апгрейда) или ремонта компьютера. Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора. Однако процессоры, имеющие одинаковые сокеты не обязательно буду работать с материнской платой, т.к. возможно плата не поддерживает данный процессор на уровне чипсета, или функционал процессора будет серьезно занижен. До недавнего времени подавляющее большинство процессоров Intel имело Socket T (LGA s775). Можно сказать, что это был своего рода эталонный сокет, т.к. он обеспечивал все потребности нескольких поколений процессоров на протяжении почти 5 лет. Стоит заметить, что у данного сокета было немало недостатков с точки зрения электроники (слабая шина передачи, высокие потери энергии), но механика крепления была намного удобнее, нежели таковая у сокетов AMD, а масштабируемость шины позволяла использовать несколько поколений процессоров (Pentium 4, Core 2).

На данный момент в магазинах можно найти процессоры для следующих сокетов:

Intel:

1) Socket T (LGA 775) — Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core Celeron;

2) Socket H (LGA 1156) — Core i3,5,7(Whestmere, Nehalem);

3) Socket H2 (LGA 1155) — Core i3,5,7(Sandy bridge);

4) Socket B (LGA 1366) — Core i7 (9xx).

AMD:

1) Socket AM2 — Athlon 64 X2;

2) Socket AM2+ - Phenom II, Athlon 64 X2;

3) Socket AM3 — Athlon II X2/X3/X4, Phenom II X4/X6, Semprone.

Кэш-память Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает наших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора — это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

КЭШ-память строится на базе дорогой SRAM-памяти (static random access memory), обеспечивающей доступ к ячейкам памяти гораздо более быстрый, чем к ячейкам DRAM-памяти (dynamic random access memory), на базе которой построена оперативная память. К тому же SRAM-память не требует постоянной регенерации, что так же увеличивает ее быстродействие. Однако более подробно устройство SRAM, DRAM и других типов памяти рассмотрим в следующей статье, а сейчас более подробно рассмотрим принцип работы и устройства КЭШ-памяти.

КЭШ-память делится на несколько уровней. В современных процессорах, обычно, бывает три уровня, а в некоторых топовых моделях процессоров иногда встречается и четыре уровня КЭШ-памяти.

КЭШ-память более высокого уровня всегда больше по размеру и медленнее КЭШ-памяти более низкого уровня.

Самая быстрая и самая маленькая КЭШ-память — это КЭШ-память первого уровня. Она обычно работает на частоте процессора, имеет объем несколько сотен килобайт и располагается в непосредственной близости от блоков выборки данных и команд. При этом она может быть единой или разделяться на две части: на память команд и память данных. В большинстве современных процессоров используют разделенную КЭШ-память первого уровня, так как это позволяет одновременно с выборкой команд осуществлять выборку данных, что крайне важно для работы конвейера.

КЭШ-память второго уровня — более медленная (время доступа, в среднем, 8−20 тактов процессора), но зато имеет объем несколько мегабайт.

КЭШ-память третьего уровня — еще медленнее, но имеет сравнительно большой объем. Встречаются процессоры с КЭШ-памятью третьего уровня больше 24 Мб.

В многоядерных процессорах, обычно, последний уровень КЭШ-памяти делают общим для всех ядер. Причем, в зависимости от нагрузки на ядра, может динамически изменяться отведенный ядру объем КЭШ-памяти последнего уровня. Если ядро имеет высокую нагрузку, то ему выделяется больше КЭШ-памяти, за счет уменьшения объема КЭШ-памяти для менее нагруженных ядер. Не все процессоры обладают такой возможностью, а только поддерживающие технологию Smart Cache (например, Intel Smart Cache или AMD Balanced Smart Cache).

КЭШ-память более низкого уровня — обычно, индивидуальная для каждого ядра процессора.

Мы рассмотрели, как устроена КЭШ-память, давайте теперь разберемся, как она работает.

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Однако, чем больше уровней КЭШ-памяти, тем сложнее алгоритм замещения устаревших данных и тем больше времени тратится на согласования данных во всех уровнях КЭШ-памяти. В результате, выигрыш от скорости работы КЭШ-памяти быстро сходит на нет. К тому же SRAM-память — очень дорогая, и при больших объемах, а, как помните, каждый новый уровень КЭШ-памяти должен быть больше предыдущего, быстро снижается показатель цена-качество, что крайне негативно сказывается на конкурентоспособности процессора. Поэтому на практике больше четырех уровней КЭШ-памяти не делают.

Ситуация с КЭШ-памятью дополнительно усложняется в многоядерных процессорах, каждое ядро которых содержит свою КЭШ-память. Необходимо вводить дополнительную синхронизацию данных, хранящихся в КЭШ-памяти разных ядер. Например, один и тот же блок данных основной оперативной памяти был занесен в КЭШ-память первого и второго ядра процессора. Затем первый процессор изменил этот блок памяти. Получается, что в КЭШ-памяти второго процессора лежат уже устаревшие данные и необходимо их обновить, а это дополнительная нагрузка на КЭШ-память, что приводит к снижению общего быстродействия процессора. Эта ситуация тем сложнее, чем больше ядер в процессоре, чем больше уровней КЭШ-памяти и чем больше их объем.

Итак, несмотря на такие трудности в работе с КЭШ-памятью, ее применение дает явный прирост скорости работы без существенного увеличения стоимости ЭВМ. И пока не будет придумана оперативная память, которая сможет по скорости соперничать с SRAM-памятью, а по цене — с DRAM-памятью, будет применяться иерархическая организация оперативной памяти с использованием нескольких уровней КЭШ-памяти.

Контроллер ОЗУ Контроллер памяти — цифровая схема, управляющая потоком данных к и от оперативной памяти. Может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирована в более сложную микросхему, например, в северный мост, микропроцессор или систему на кристалле.

Компьютеры, использующие микропроцессоры Intel традиционно имели контроллер памяти, встроенный в чипсет (северный мост), но многие современные процессоры, такие как DEC/Compaq Alpha 21 364, AMD Athlon 64 и Opteron, IBM POWER5, Sun Microsystems UltraSPARC T1 и процессоры Intel Core i7 имеют интегрированный контроллер памяти, расположенный на том же кристалле, для уменьшения задержки доступа в память. Хотя интеграция увеличивает производительность системы, происходит привязка микропроцессора к какому-то одному типу памяти, не позволяющая сочетать процессоры и память разных поколений. Для использования новых типов памяти требуется выпуск новых процессоров и изменение их разъема (например, после появления DDR2 SDRAM, AMD выпустила процессоры Athlon 64, использовавшие новый сокет Socket AM2).

Контроллер памяти содержит логические цепи, необходимые для проведения операций чтения и записи в DRAM, а также для обновления хранимых в DRAM данных. Без периодических обновлений чипы памяти DRAM теряют информацию, так как разряжаются токами утечки конденсаторы, хранящие биты. Типичное время надежного хранения информации составляет доли секунды, но не менее 64 миллисекунд согласно стандартам JEDEC. На более длительных периодах времени информация сохраняется лишь частично.

Северный мост Северный мост (NorthBridge) — условное обозначение, относящееся к части набора логики материнской платы, которая делится на Южный и Северный мост. Назван так по причине своего расположения (северный вверху, южный внизу).

В прошлом, данный контроллёр выполнял функции посредника и контроллёра между устройствами с высокими требованиями к пропускной способности (контроллёр памяти, контроллёр PCI-Express шины) и процессором.

Он отвечал за тип поддерживаемой памяти (максимальный объём, частота функционирования & etc), количество линий и пропускную способность PCI-Express шины (версию стандарта, количество поддерживаемых слотов). Часто в северный мост встраивали (и встраивают до сих пор) графическое видео ядро, которое сообщается с процессором по высокоскоростной шине.

Мост использует дополнительное охлаждение, обычно пассивное. Тепловыделение составляет не больше 25 Ватт, что в большинстве случаев «выливается» в средних размеров пассивный радиатор. Если же мост выделяет больше тепла, на него ставится небольшой активный кулер (что неблагоприятно влияет на тишину работы).

В современных материнских платах «северный чипсет» упразднён, либо сильно урезан по функционалу (имеет только контроллёр высокоскоростной шины PCI-e; при большой нужде к пропускной способности, не увеличивая стоимость производства и площадь чипа ЦП) в пользу встроенных в процессор контроллёров оперативной памяти и контроллёров шины PCI-e x16. Это позволило сократить задержки памяти и увеличить частоту функционирования шины, благодаря очень коротким шинам в самом процессоре. Теперь нет нужды вести сложные линии шины на материнских платах.

Производители иногда оснащают материнские платы «псевдо радиатором» северного моста (для симметрии и лучшего внешнего вида), который находится на предполагаемом месте северного моста, но чипа там нет. Хотя он и участвует в теплообмене, если через него проходят тепловые трубки, но основное применение он теперь находит в охлаждениидополнительных контроллёров шины PCI-Express (NF200 к примеру), которые предусмотрительно располагают специально на этом месте.

Частота Теперь разберемся с частотой процессора. Каждый знает, что чем больше частота, тем быстрее процессор. В принципе это утверждение верно, но не все тут, что естественно в микроэлектронике, так очевидно. Ведь под частотой скрываются сразу несколько параметров:

Частота интерфейса. Для обмена с другими устройствами процессор использует шину FSB или другие интерфейсы. Во всех современных системах используются технологии, умножающие скорость обмена данными по системной шине, и частота может указываться уже с учетом умножения. Для большинства процессоров AMD Athlon 64 X2 и AMD Phenom II частота интерфейса (номинальная) составляет 200 Мгц, а для обмена данными с чипсетом используется шина HT (Hyper Transport), которая работает на частотах, в несколько раз больших, нежели FSB.

Множитель, или коэффициент умножения. Ядро центрального процессора работает на тактовой частоте, являющейся произведением частоты FSB на коэффициент умножения.

Тактовая частота. Параметр, показывающий реальную частоту работы ядра процессора.

Та частота, которую нам предлагают продавцы, тактовая, получается из частоты шины (в общем случае интерфейса процессора и системы, т.к. сейчас существует несколько типов принципиально разных интерфейсов связи CPU, материнской платы и ОЗУ) и внутреннего множителя процессора, путем их перемножения. Чаще всего производители блокируют множитель или ограничивают его парой значений. При повышении частоты шины будет увеличена и частота процессора. Данный процесс относится к одному из способов «разгона» (оверклокинга) системы. Зачастую не стоит выбирать слишком «скоростные» процессоры ведь от их младших братьев можно получить туже скорость, за меньшие деньги, а также высокая частота процессора не даст преимущества, если, например, у Вас медленная память. Так что стоит отдать предпочтение более современному ядру, нежели высокой частоте.

Современные процессоры Intel и AMD

процессор внутренняя архитектура Раньше, выбирая процессор для своего компьютера, пользователи в основном обращали внимание на бренд и на тактовую частоту. Сегодня ситуация немного изменилась. Нет, вам и сегодня нужно будет сделать выбор между двумя производителями — Intel и AMD, но на этом дело не закончится. Времена изменились и обе компании выпускают хороший качественный продукт, который может удовлетворить потребности практически любых требовательных пользователей.

Однако у каждого изделия производителей есть свои сильные и слабые стороны, проявляющиеся в быстродействии различных программных приложений, а также в разбросе цены и производительности.

Плюс сегодня процессор с намного меньшей тактовой частотой может спокойно обойти более быстрого собрата, а многоядерный процессор может оказаться медленнее процессора созданного на основе старой архитектуры, при определенной нагрузке на систему.

Расшифровка названий процессоров Intel

Научиться ориентироваться в огромной номенклатуре различных названий процессоров компании Intel довольно просто. Вначале нужно разобраться с позиционированием самих процессоров:

Core i7 — на данный момент топовая линия компании

Core i5 — отличаются высокой производительностью

Core i3 — невысокая цена, высокая/средняя производительность

Все процессоры Core i серии построены на основе ядра Sandy Bridge и относятся ко второму поколению процессоров Intel Core. Названия большинства моделей начинаются с цифры 2, а более современные модификации, созданные на основе последнего ядра Ivy Bridge, маркируются цифрой 3.

Теперь очень легко определить, какого поколения тот или иной процессор, и на основе какого ядра он создан. К примеру, Core i5−3450 принадлежит к третьему поколению на ядре Ivy Bridge, а Core i5−2310 — соответственно второе поколение на основе ядра Sandy Bridge.

Когда вы знаете тип ядра процессора, то уже можете приблизительно судить не только о его возможностях, но и о потенциальном тепловыделении при загрузке. Представители третьего поколения греются намного меньше своих предшественников благодаря более современному техпроцессу.

Помимо цифр, в названиях процессоров иногда используют суффиксы:

К — для процессоров с разблокированным коэффициентом умножения (это дает опытным пользователям, разбирающимся в компьютерах, самостоятельно разгонять процессор)

Sдля продуктов с повышенной энергоэффективностью, Т — для самых экономичных процессоров.

Intel Core 2 Quad

Линия популярных четырехьядерных процессоров на базе уже устаревшего ядра Yorkfield (техпроцесс 45 нм), благодаря привлекательной низкой цене и достаточно высокой производительности, линия этих процессоров актуальна и в сегодняшние дни.

Технологии процессоров Intel

Процессоры от компании Intel, сегодня считаются самыми производительными, благодаря семейству Core i7 Extreme Edition. В зависимости от модели они могут иметь до 6 ядер одновременно, тактовую частоту до 3300 МГц и до 15 Мб кэш памяти L3. Самые популярные ядра в сегменте настольных процессоров создаются на основе Intel — Ivy Bridge и Sandy Bridge.

Также как и у конкурента, в процессорах компании Intel применяются фирменные технологии собственной разработки для повышения эффективности работы системы.

1. Hyper Threading — За счет этой технологии, каждое физическое ядро процессора способно обрабатывать по два потока вычислений одновременно, получается, что число логических ядер фактически удваивается.

2. Turbo Boost — Позволяет пользователю совершить автоматический разгон процессора, не превышая при этом максимально допустимый предел рабочей температуры ядер.

3. Intel QuickPath Interconnect (QPI) — Кольцевая шина QPI соединяет все компоненты процессора, за счет этого сводятся к минимуму все возможные задержки при обмене информацией.

4. Visualization Technology — Аппаратная поддержка решений виртуализации.

5. Intel Execute Disable Bit — Практически антивирусная программа, она обеспечивает аппаратную защиту от возможных вирусных атак, в основе которых лежит технология переполнения буфера.

6. Intel SpeedStep-Инструмент позволяющий изменять уровень напряжения и частоты в зависимости от создаваемой нагрузки на процессор.

Расшифровка названий процессоров AMD

AMD FX

Топовая линейка компьютерных многоядерных процессоров со специально снятым ограничением на множитель (ради возможности самостоятельного разгона) для обеспечения высокой производительности при работе с требовательными приложениями. Исходя из первой цифры названия, можно сказать, сколько ядер установлено в процессор: FX-4100 — четыре ядра, FX-6100 соответственно шесть ядер и FX-8150 имеет восемь ядер. В линейке этих процессоров существует и несколько модификаций, несколько отличающихся тактовой частотой (у процессора FX-8150 она на 500 МГц выше, чем у процессора FX-8120).

AMD А

Линия со встроенным внутрь процессора графическим ядром. Цифровое обозначение в названии указывает на принадлежность к конкретному классу производительности: АС — производительность, достаточная для подавляющего большинства стандартных ежедневных задач, А6 — производительность, достаточная для создания видеоконференции в высоком разрешении HD, А8 — производительность, достаточная для уверенного просмотра Blu-ray-фильмов с эффектом 3D или запуска современных 3D-игр в мультидисплейном режиме (с возможностью одновременного подключения четырех мониторов).

AMD Phenom II и Athlon II

Самые ранние процессоры из линейки AMD Phenom II были официально выпущены еще в далеком 2010 году, но благодаря низкой цене и достаточно большой производительности они и сегодня пользуются определенной популярностью.

На количество ядер у процессора указывает цифра в названии следующая сразу после символа X. К примеру, маркировка процессора AMD Phenom II Х4 Deneb говорит нам, что он принадлежит к семейству процессоров Phenom II, имеет четыре ядра и создан на базе ядра Deneb. Полностью аналогичные правила маркировки можно увидеть и в серии Athlon.

AMD Sempron

Под этим названием производитель выпускает бюджетные процессоры, предназначенные для настольных офисных компьютеров.

Технологии процессоров AMD

Самые топовые модели процессоров из линейки AMD FX, созданные на основе нового ядра Zambezi, могут предложить требовательному пользователю восемь ядер, 8-мегабайтный кэш L3 и тактовую частоту процессора до 4200 М Гц.

Большинство современных процессоров созданных компанией AMD по умолчанию поддерживают следующие технологии:

1. AMD Turbo CORE — Эта технология призвана автоматически регулировать производительность всех ядер процессора, за счет управляемого разгона (подобная технология у компании Intel имеет название TurboBoost).

2. AVX (Advanced Vector Extensions), ХОР и FMA4 — Инструмент, имеющий расширенный набор команд, специально созданных для работы с числами с плавающей точкой. Однозначно полезныйинструментарий.

3. AES (Advanced Encryption Standard) — В программных приложениях использующих шифрование данных, повышает производительность.

4. AMD Visualization (AMD-V) — Эта технология виртуализации, помогает обеспечить разделение ресурсов одного компьютера между несколькими виртуальными машинами.

5. AMD PowcrNow! — Технология управления питанием. Она помогают пользователю добиться повышения производительности, за счет динамической активации и деактивации части процессора.

6. NX Bit — Уникальная антивирусная технология, помогающая предотвратить инфицирование персонального компьютера определенными видами вредоносных программ.

Сравнение производительности процессоров Просматривая прайс-листы с ценами и характеристиками современных процессоров, можно прийти в настоящее замешательство. Удивительно, но процессор большим количеством ядер на борту и с большей тактовой частотой может стоить дешевле, чем экземпляры с меньшим количеством ядер и с меньшими тактовыми частотами. Все дело в том, что настоящая производительность процессора зависит не только от основных характеристик, но и от эффективности работы самого ядра, поддержки современных технологий и конечно от возможностей самой платформы, для которой создан процессор (можно вспомнить про логику системной платы, про возможности видеосистемы, про пропускную способность шины и многое другое).

Именно поэтому, нельзя судить о производительности процессора, на основе одних только характеристик написанных на бумаге, нужно иметь данные и о результатах независимых тестов производительности (желательно с теми приложениями, с которыми планируется постоянно работать). В зависимости от типа создаваемой нагрузки похожие процессоры могут выдавать совершенно разные результаты, при работе с одними и теми же программами. Как же неподготовленному человеку разобраться, какой тип профессора подходит именно для него? Давайте попробуем в этом разобраться, проведя сравнительное тестирование процессоров с одинаковой розничной стоимостью в различных программных приложениях.

1. Работа с офисным программным обеспечением. При использовании привычных офисных приложений и браузеров прирост производительности можно достичь за счет большей тактовой частоты процессора. Большой объем кэш памяти или большое число ядер не даст ожидаемого прироста скорости работы приложений данного типа. К примеру, более дешевый по сравнению с Intel Celeron G440 процессор AMD Sempron 145 на основе 45-нм ядра Sargas показывает в тестах с офисными приложениями лучшую производительность, а ведь продукт Intel создан на более современном 32-нм ядре Sandy Bridge. Тактовая частота — вот залог успеха, при работе с офисными приложениями.

2. Компьютерные игры. Современные 3D-игры с выставленными на максимум настройками — одни из самых требовательных к комплектующим компьютера. Процессоры показывают прирост производительности в современных компьютерных играх по мере роста количества ядер и увеличения объема кэш-памяти (конечно если при этом, оперативная память и видеосистема удовлетворяют всем современным требованиям). Взять хотя бы процессор AMD FX-8150 с 8 ядрами и 8 мегабайтами кэш-памяти третьего уровня. При тестировании он выдает лучший результат в компьютерных играх, чем практически одинаковый по цене Phenom II Х6 Black Thuban 1100T с 6 ядрами, но с 6 мегабайтами кэш-памяти третьего уровня. Как уже было подмечено выше, при тестировании офисных программ картина с производительностью прямо противоположная.

Если начать тестировать производительность в современных играх двух близких по цене процессоров марок FX-8150 и Core i5−2550К, то окажется, что последний демонстрирует лучшие результаты, несмотря на то, что у него меньше ядер, и он имеет меньшую тактовую частоту и даже объем кэш памяти у него меньше. Скорее всего, здесь, с точки зрения эффективности, основную роль сыграла более удачная архитектура самого ядра.

3. Растровая графика. Популярные графические приложения, такие как Adobe Photoshop, ACDSee и Image-Magick изначально созданы разработчиками с отличной многопоточной оптимизацией, это значит, что при постоянной работе с этими программами дополнительные ядра не будут лишними. Существует и большое количество программных пакетов, абсолютно не использующих многоядерность (Painishop или GIMP). Получается, нельзя однозначно утверждать, какой технический параметр у современных процессоров больше других влияет на увеличение скорости работы растровых редакторов. Разные программы, работающие с растровой графикой, требовательны к самым различным параметрам, таким как тактовая частота, количество ядер (особенно относится к реальной производительности одного ядра), и даже к объему кэш-памяти. Тем не менее, недорогой Core 13−2100 в тестах показывает намного большую производительность в такого рода приложениях, чем, например, тот же FX-6100, и это даже несмотря на то, что базовые характеристики у Intel немного проигрывают.

4. Векторная графика. В наше время процессоры очень странно проявляют себя, работая с такими популярными программными пакетами как CorelDraw и Illustrator. Общее количество ядер процессора практически никак не влияет на производительность приложений, это говорит об отсутствии у данного вида программного обеспечения многопоточной оптимизации. В теории для нормальной работы с векторными редакторами двухъядерного процессора даже будет много, так как здесь на первый план выходит тактовая частота.

Примером может служить AMD Аб-3650, который с четырьмя ядрами, но с маленькой тактовой частотой не может соперничать в векторных редакторах с бюджетным двухъядерным Pentium G860, у которого тактовая частота немного выше (при этом стоимость процессоров практически одинаковая).

5. Кодирование аудио. При работе с аудиоданными можно наблюдать абсолютно противоположные результаты. При кодировании звуковых файлов производительность растет по мере увеличения количества ядер процессора и по мере увеличения тактовой частоты. Вообще, для совершения операций такого плана вполне достаточно даже 512 мегабайт кэш-памяти, так как при обработке потоковых данных этот вид памяти практически не используется. Наглядным примером служит восьмиядерный процессор FX-8150, который при процессе конвертации аудиофайлов в разные форматы, показывает результат намного лучше, чем более дорогостоящий четырехъядерный Core 15−2500К, благодаря большему количеству ядер.

6. Кодирование видео. Архитектура ядра при кодировании видеофайлов в таких программных пакетах как Premier, Expression Encoder или Vegas Pro, играет большую роль. Здесь упор делается на быстрые ALU/FPU — это аппаратные вычислительные блоки ядра, ответственные за логические и арифметические операции при обработке данных. Ядра с разной архитектурой (даже если это разные линейки одного производителя) в зависимости от типа нагрузки, обеспечивают разный уровень производительности

Процессор Core i3−2120 на основе ядра Sandy Bridge от компании Intel, с меньшей тактовой частотой, меньшим объемом кэш-памяти и меньшим количеством ядер, выигрывает у процессора AMD FX-4100 построенного на ядре Zambezi, который стоит практически те же деньги. Такой необычный результат можно объяснить различиями в архитектуре ядра и лучшей оптимизацией под конкретные программные приложения.

7. Архивация. Если вы за своим компьютером часто занимаетесь архивированием и распаковкой объемных файлов в таких программах как WinRAR или 7-Zip, то обратите внимание на объем кэш-памяти своего процессора. В таких делах кэш-память имеет прямую пропорциональность: чем она больше, тем больше производительность компьютера при работе с архиваторами. Показателем служит, процессор AMD FX-6100 с установленными на борту 8 Мб кэш-памяти уровня 3. Он управляется с задачей архивирования намного быстрее, чем сопоставимые по цене процессоры Core i3−2120 с 3 мегабайтами кэш-памяти третьего уровня и Core 2 Quad Q8400 с 4 мегабайтами кэш памяти второго уровня.

8. Режим экстремальной многозадачности. Некоторые пользователи работают сразу с несколькими ресурсоемкими программными приложениями с параллельно активированными фоновыми операциями. Только подумайте, вы на своем компьютере распаковываете огромный RARархив, одновременно слушаете музыку, редактируете несколько документов и таблиц, при этом у вас запущен Skype и интернет-браузер с несколькими открытыми вкладками. При таком активном использовании компьютера очень важную роль играет возможность процессора выполнять несколько потоков операций параллельно. Получается, что первостепенное значение при таком использовании занимает количество ядер у процессора.

С многозадачностью справляются многоядерные процессоры AMD Phenom II Хб и FX-8xxx. Здесь стоит отметить, что AMD FX-8150 с восемью ядрами на борту, при одновременной работе нескольких приложений, имеет немного больший запас производительности, чем, к примеру, более дорогой процессор Core i5−2500K со всего четырьмя ядрами. Конечно, если требуется максимальная скорость, то лучше смотреть в сторону процессоров Core i7, которые способны легко обогнать FX-8150.