Характеристики современных процессоров

 

 

Рассмотрим основные параметры МП. Этих параметров окажется больше, чем мы обычно используем для оценки при выборе «сердца» своего «железного товарища». Перечислим основные из них: тактовая частота; разрядность; размер кэш-памяти; состав инструкций; конструктивное исполнение; рабочее напряжение; наличие дополнительных блоков и расширений.

Каждая инструкция, разложенная на микрооперации, выполняется за определенное число тактов1. Тактовая частота, более правильно ее назвать тактовой частотой ядра процессора – это произведение частоты системной шины (FSB), подаваемой от кварцевого генератора на внутренний коэффициент умножения. Умножение частоты происходит с помощью внутреннего управляемого генератора, включенного в контур системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [5].

Следует различать понятия разрядности адреса и разрядности данных. Процессор выполняет требуемую операцию (инструкцию) над указанными операндами (данными), содержащимися в регистрах. И операции и операнды выбираются из памяти по адресам. Разрядность адреса определяет, сколько битов (16, 32 или 64) используется в регистрах, формирующих адрес данных или инструкций, расположенных в памяти. Разрядность данных определяет, сколько битов используется в инструкциях, оперирующих словами [5].

ПРИМЕЧАНИЕ

32-битные регистры позволяют непосредственно адресовать 232= 4 294 967 296 байт (4 Гбайт) памяти. 64-битные 264= 18 446 744 073 709 551 616 байт ≈ 18,4·1018 (это очень большое число, например, число секунд, прошедших с момента образования планеты Земля равно 1018).

Кэш-память, конструктивно совмещенная с МП, имеет несколько уровней [5]:

Кэш данных первого уровня (L1 data cache) хранит данные, к которым процессор недавно обращался (читал или записывал) при исполнении программы. Кэш инструкций первого уровня (L1 instructions cache) содержит инструкции, недавно выполнявшиеся процессором (они, возможно, повторно будут выполнены снова), а также, инструкции, следующие за этими (упреждающая выборка). Этот кэш имеет маленький размер – от 8 до 128 Кб и очень быстр, т.к. производится только считывание инструкций, что существенно упрощает его реализацию.

Кэш второго уровня (L2 cache) имеет больший размер по сравнению с кэшем первого уровня, но медленнее последнего. Вторичный кэш может быть эксклюзивным – в нем не сохраняются данные и инструкции кэша первого уровня, а может быть инклюзивным, когда во вторичном кэше имеется копия информации кэша первого уровня.

Кэш третьего уровня (L3 cache) применяется не часто, ввиду его дорогостоящей реализации из-за того, что должен быть больше L22.

ПРИМЕЧАНИЕ

Конструктивное разделение памяти данных (L1 data cache) и памяти команд (L1 instruction cache), используется в кэш-памяти 1-го уровня в микропроцессорах – это Гарвардская архитектура. В кэш-памяти 1-го уровня возможно совместное расположение данных и команд – это так называемая Принстонская архитектура. В процессорах Pentium 4 кэш устроен несколько иначе.

Набор инструкций или система команд представляет собой совокупность вех команд, которые способен выполнить МП. Инструкции в общем можно разделить на прикладные (используются приложениями для решения конкретных прикладных задач) и системные (используются операционной системой для создания среды, в которой функционируют приложения).

Рассмотрим основные прикладные инструкции процессоров x86. Инструкции общего назначения – основные целочисленные инструкции х86, используемые всеми программами. Они разделяются на базовые инструкции общего назначения и инструкции 64-битных режимов (доступные для 64-битных процессоров).

Инструкции с плавающей точкой х87 работают с FPU3 и используются в старых приложениях, требующих точных вычислений. Поддерживается различная точность выполнения инструкций, кроме того, поддерживаются двоично-десятичные форматы данных.

64-битные медиа-инструкции расширений оперируют с данными, расположенными в 64-битных регистрах MMX. Они выполняют целочисленные операции и вычисления с плавающей точкой в скалярном и векторном вариантах и предназначены для медиа-приложений, работающих с блоками данных.

128-битные медиа-инструкции оперируют данными, расположенными в 128-битных регистрах XMM. Эти инструкции предназначены для высокопроизводительных медиа и научных приложений. В потоковом расширении SSE определены инструкции с плавающей точкой одинарной точности (32 бит), в SSE2 введены инструкции двойной точности (64 бит), в SSE3 введено 13 дополнительных инструкций, включая SIMD-инструкции с FP-числами двойной точности, целыми числами, а также инструкциями управления памятью и кэшированием [5].

Конструктивное исполнение определяет тип установочного разъема (Slot – щелевидный разъем, Socket – разъем-гнездо), число контактов (478, 603, 604, 775 - см. таблицу 3.1).

Рабочее напряжение – напряжение питания МП, обеспечивающее его нормальную эксплуатацию и требуемое быстродействие.

Таблица 3.1. Сокеты наиболее популярных процессоров Intel, AMD и VIA

Сокет

Питание

Поддерживаемые процессоры

Сокет 370

1,3 – 2,05 В

Celeron, Pentium III, VIA Cyrix III

Сокет 423

1,1 – 1,6 В

Pentium 4: 0.18 мкм 1,3 – 2 ГГц

Сокет 478

1,1 – 1,8 В

Pentium 4: 0.18 мкм 1,4 – 2 ГГц

Pentium 4: 0.13 мкм 2,0А – 3,4 ГГц

0,84 – 1,6 В

90 нм 2,8 А/Е – 3,4 Е ГГц

Сокет 775

0,84 – 1,6 В

Pentium 4: 0.18 мкм 1,4 – 2 ГГц

0,13 мкм 2,0А – 3,4 ГГц

90 нм 2,8 А/Е – 3,4 Е ГГц

Сокет 603

1,1 – 1,8 В

Xeon 1,4 – 2 ГГц

Сокет 604

1,1 – 1,8 В

Xeon с частотой FSB 133/533 и выше

0,84 – 1,6 В

Сокет A (462)

1,1 -1,85 В

Athlon, Athlon XP, Duron, Sempron (2200+…3100+)

Сокет 754

0,8 – 1,55 В

Athlon 64 (2800+…3700+), Sempron (3100+, 3300+)

Сокет 939

0,8 – 1,55 В

Athlon 64 (3500+…4000+), Athlon 64FX

Сокет 940

0,8 – 1,55 В

Athlon 64FX, Opteron

Наличие дополнительных блоков и расширений.

Блок FPU присутствует во всех современных процессорах и предназначен для расширения вычислительных возможностей центрального процессора. Он служит для вычисления основных математических функций (тригонометрических, экспоненты и т.д.)

Блок MMX и расширение 3DNow!. Технология MMX используется в 2D/3D-графике и коммуникациях. MMX использует принцип SIMD (Single InstructionMultiple Data) – одновременная обработка нескольких элементов данных за одну инструкцию. Технология 3DNow!4 содержит 21 инструкцию и впервые была введена в процессорах К6-2 фирмы AMD. Она фактически расширяет возможности, предоставляемые MMX. Эта технология дает существенный прирост производительности при обработке графики, т.е. является мощным дополнением внешних графических ускорителей.

Блок ХММ и расширение SSE. Расширение SSE (Streaming SIMD Extensions – потоковые SIMD-расширения) предназначено для ускорения обработки больших потоков данных в формате FP (с плавающей точкой). Это расширение организуется аппаратно в блоке XMM. Блок позволяет выполнять векторные (пакетные) и скалярные инструкции. Векторные инструкции реализуют операции сразу над всем содержимым векторных регистров, а скалярные инструкции работают с одним комплектом операндов.

ПРИМЕЧАНИЕ

В процессорах Pentium III появилось расширение SSE, а в Pentium 4 – расширение SSE2, предназначенное для 3D-графики, кодирования/декодирования видео и шифрования данных. Последним появилось расширение SSE3. Блок XMM и расширения SSE, SSE3 и SSE3 используются в современных процессорах AMD.

В состав МП Pentium входят следующие основные функциональные блоки: ядро (Core); исполняющий модуль (Execution Unit); АЛУ (ALU); регистры (Registers); блок для работы с плавающей запятой (FPU) и ряд других.

Все функциональные блоки разделяются на две части: операционную, содержащую УУ, АЛУ и МПП (кроме нескольких адресных регистров) и интерфейсную, содержащую адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления шиной и портами.

1 Уменьшая время такта можно повысить быстродействие.

2 L3 cache имеется у процессора Intel Xeon MP, его размер 8Мбайт;

3 Floating Point Unit – блок выполнения операций с плавающей точкой.

4 Не используется в процессорах фирмы Intel.

 


Лекция добавлена 28.02.2013 в 00:51:46