Лекция 3.
Процессоры.

Центральный процессор, или микропроцессор – это «мозг» персонального компьютера, выполненный в виде небольшой электронной схемы в пластиковом или металлическом корпусе (размер менее 20 см2), которая выполняет все вычисления, пересылает данные между внутренними регистрами и управляет ходом вычислительного процесса. Именно процессор отвечает за обработку всех данных в системе и глобально управляет работой аппаратных устройств.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. В регистрах размещаются и данные и команды. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Видов процессоров существует много, выпускаются они для различных целей и разными производителями. Сегодня ведущими производителями процессоров для компьютеров являются компании Intel3 и AMD4. Независимо от производителя, у каждого процессора есть целый ряд важных характеристик: тактовая частота, разрядность обрабатываемых данных, размер кэш-памяти, количество ядер

Пример технических характеристик процессора, приводимых на сайтах Internet-магазинов компьютерной техники:

Процессор
Тип процессора	Intel® Core™ i7
Модель процессора	6700
Тактовая частота	3.4 Ггц
Количество ядер	4
Кэш L3	8192 Кб
Кэш L2	1024 Кб
Кэш L1	64 Кб

Тактовая частота – определяет сколько элементарных операций (тактов) выполняет микропроцессор в одну секунду. Измеряется в гигагерцах (ГГц – GHz). От тактовой частоты в значительной степени зависит быстродействие микропроцессора.

Но надо заметить, что утверждение «чем выше тактовая частота, тем "шустрее" процессор» справедливо, если сравнивать между собой поколения CPU одной марки. Сопоставлять по этому показателю процессоры разных производителей нельзя – при одинаковой тактовой частоте они работают с различной скоростью, поскольку на нее влияют в не меньшей степени и другие характеристики. Например, процессоры марки AMD работают на более низких тактовых частотах, чем Intel, но за один такт производят больше действий.

Разрядность (обрабатываемых данных) процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Очевидно, и эта характеристика процессора влияет на его быстродействие. Первые процессоры x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86. Конечно, для пользователя важно знать, разрядность процессора на его компьютере6, так как, например, программное обеспечение, рассчитанное на 64-х разрядный процессор, не может быть установлено на компьютер с 32-х разрядным процессором.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память (англ. cache – тайник, тайный склад). Кэш-память процессора - это сверхпроизводительная память, откуда процессор получает доступ к обрабатываемым данным. Объем ее очень мал и не позволяет вместить в себя исполняемую программу целиком, поэтому в кэш обычно загружены только часто используемые данные. Разумеется, чем кэш больше, тем к большему объему информации процессор может получить быстрый доступ. Поэтому от величины кэш-памяти зависит скорость исполнения программы.

Кэш-память служит буфером, в который загружаются часто исполняемые команды и используемые данные из ОЗУ (оперативная память).

Большинство современных процессоров оснащены кэш-памятью двух или трех уровней:

• Кэш-память первого уровня (L1) – самый быстрый из всех уровней, выполняется в том же кристалле, что и процессор, за счет чего имеет наименьшее время отклика и работает на скорости близкой к скорости процессора. Имеет объем порядка десятков килобайт. Еще одна функция этого вида памяти – обеспечивать обмен между процессором и вторым уровнем кэш-памяти.

• Кэш-память второго уровня (L2) – имеет больший объем памяти, чем первый. Находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Одно из предназначений – буфер между вторым и третьим уровнем.

• Кэш-память третьего уровня (L3) – самый медленный из кэшей (но все же значительно быстрее ОЗУ), имеет самый большой объем памяти (может достигать нескольких мегабайт). Выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM7 и размещают на материнской вблизи процессора.

↑ Объем		Пропускная способность ↓
	Дисковая память
	↓
	ОЗУ и шина
	↓
	Кэш L3
	↓
	Кэш L2
	↓
	Кэш L1
	↓
	Ядро CPU

В центре современного центрального микропроцессора находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture). Процессоры бывают одноядерные и многоядерные.

Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров.

Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Чем больше у процессора ядер, тем большее число операций он может выполнять одновременно без потери производительности. Одноядерные процессоры для персональных компьютеров сегодня уже не выпускаются - наступила эра многоядерности. Именно за счет увеличения числа ядер ведущие производители планируют наращивать мощность процессоров в дальнейшем. Сегодня на персональные рабочие станции устанавливаются, как правило, 2-8 ядерные CPU, а для серверных систем уже существуют и 16-ядерные. В экспериментальных условиях проходят апробирование процессоры, оснащенные более чем 20 ядрами.

За счет параллельной работы ядер процессора (одновременно выполняются несколько независимых потоков команд) при меньшей тактовой частоте многоядерный процессор обеспечивает большую производительность, чем одноядерный.

Например, тактовая частота средненького двухъядерного процессора нередко может быть намного ниже частоты неплохого одноядерного процессора, но из-за разделения задач на «обе головы», разница в результатах становится несущественной. Двухъядерный процессор Core 2 Duo с тактовой частотой 1,7ГГц легко сможет обскакать одноядерный Celeron с тактовой частотой 2,8ГГц, ведь производительность зависит не от одной лишь частоты, но и от количества ядер, кэша и других факторов.

Увеличение производительности за счет количества ядер особенно ощутимо при исполнении многозадачных программ, в логику которых заложено одновременное выполнение нескольких действий. В то время, как одноядерный процессор выполнял бы задачи последовательно - одну за другой, многоядерный - делает это параллельно.