Микропроцессор

Системная плата

Системная плата (или материнская плата )является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

· центральный процессор;

· постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;

· интерфейсные схемы шин;

· гнёзда расширения;

· обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Рисунок 5.24. Системная плата компьютера класса Pentium

1 — Разъём под центральный процессор; 2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт; 3 — Разъём под дополнительный кэш; 4 — Контроллеры внешних устройств; 5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках; 6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки; 7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши; 8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт; 9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.); 10 — Перезаписываемая BIOS (Flash-память); 11 — Мультимедийная шина; 12 — Разъёмы 16-битной шины.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Основными параметрами микропроцессора являются тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду, измеряется в Герцах. Современные микропроцессоры имеют тактовую частоту порядка 10⁹ Герц (Гигагерц).

Разрядность показывает, сколько двоичных разрядов (битов) информации обрабатывается (или передается) за один такт, а также – сколько двоичных разрядов может быть использовано в микропроцессоре для адресации оперативной памяти Современные процессоры имеют разрядность 32 и 64 бита.

Микропроцессор Intel Pentium 4 — мощный процессор выпуска 2003 г. с тактовой частотой до 3 Гигагерц, представлен на рисунке примерно в натуральную величину. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

Рисунок 5.25. Микропроцессор Pentium 4: вид сверху (слева) и вид снизу (справа), и двухъядерный микропроцессорIntel Core i7.

Процессорные технологии развиваются быстро. Движущая сила этого стремительного технологического прогресса — «процессорная война» между компаниями Intel и AMD. Вскоре после перехода на 64-разрядную архитектуру как AMD, так и Intel в спешном порядке занялись разработкой технологий на базе двух ядер. Возможности наращивания вычислительной мощности исключительно за счет повышения тактовой частоты процессора оказались исчерпаны, и оба изготовителя процессоров пришли к заключению, что самый простой способ увеличить мощность предполагает использование параллелизма. Габариты процессоров становились все меньше, благодаря чему открылась возможность производить двухъядерные процессоры, в которых на одной полупроводниковой пластине размещаются два процессора. В отличие от одноядерного, двухядерный процессор может работать с многопоточными приложениями, его операционная система умеет распределять программные потоки отдельно по каждому ядру. Это, в свою очередь, увеличивает производительность без роста потребления энергии.

В 2005 г. Intel стал первой корпорацией, выпустившей двухъядерный процессор (это была модель Pentium D, построенная на базе микроархитектуры Intel NetBurst). В январе 2006 г. компания Intel перешла на микроархитектуру Core. В ней используется более короткий, чем в архитектуре NetBurst, конвейер инструкций, за счет чего в течение каждого такта процессоры выполняют значительно большее число инструкций и достигают более высокого уровня производительности, хотя и функционируют с меньшей тактовой частотой, нежели прежние модели процессоров Intel. Компания AMD поспешила ответить на эту инициативу Intel, выпустив собственный 64-разрядный двухъядерный процессор Athlon 64 X2.

В двухъядерных процессорах этих двух производителей реализованы совершенно непохожие архитектуры. В устройствах Intel используется технология с разделяемой системной шиной, обеспечивающая каждый процессор половиной запаса мощности системной шины. При работе памяти и выполнении операций доступа к системе ввода/вывода тоже используется ресурс системной шины, так что быстродействие шины становится решающим фактором, определяющим общую производительность системы.

При изготовлении последней двухъядерной модели процессора Intel Core 2 Duo используется технологический процесс 65 нм. В устройствах Core 2 Duo и Core 2 Extreme оба ядра располагаются на одной полупроводниковой пластине. Каждое ядро имеет выделенный кэш первого уровня емкостью 64 Кбайт, который состоит из кэша инструкций на 32 Кбайт и кэша данных на 32 Кбайт. Кроме того, оба ядра совместно используют кэш второго уровня емкостью 4 Мбайт. Модель Core 2 Duo обеспечивает обработку в течение одного такта 128-разрядных инструкций SSE (Streaming Single-Instruction, Multiple-Data Extensions), которые используются в сложных математических расчетах и при построении графических изображений. Кроме того, она имеет новую энергосберегающую структуру и системную шину, функционирующую с тактовой частотой 1066 МГц.

Структура двухъядерных процессоров, выпускаемых компанией AMD, совершенно иная. В соответствии с принятой в AMD архитектурой Direct Connect Architecture, каждый процессор имеет встроенный контроллер памяти. Шина HyperTransport обеспечивает непосредственную передачу данных между процессорами, системой ввода/вывода и памятью со скоростью 8 Гбит/с. В феврале 2007 г. AMD выпустила новые двухъядерные процессоры Opteron с более высокими тактовыми частотами — до 2,8 ГГц — и более высокой, чем у предшествующих моделей, энергоэффективностью. До конца 2007 г. компания доведет тактовую частоту своих двухъядерных процессоров до 3 ГГц.

Двухъядерные процессоры оказались удачным решением и получили широкое распространение. Сегодня эти процессоры, отличающиеся высоким быстродействием и эффективными средствами энергосбережения, установлены почти на всех серверах и на многих настольных системах пользователей.

Следуя тому же сценарию, который привел к появлению двухъядерных устройств, Intel и AMD перешли от двухъядерной технологии процессоров к четырехъядерной. Выпустив в ноябре 2006 г. модель Quad-Core Intel Xeon processor 5300 series, Intel стала лидером в этой области.

Четырехъядерный процессор Intel представляет собой два двухъядерных процессора, размещенных на одном кристалле. Иными словами, разработанное специалистами Intel четырехъядерное устройство Xeon представляет собой не собственно четырехъядерный процессор, а сдвоенный двухъядерный процессор. Но хотя такая архитектура позволила компании Intel быстро довести изделие до рынка, предложенная структура не является оптимальной. Когда процессоры, размещенные на отдельных ядрах, обмениваются данными, эти данные приходится пересылать по системной шине и через контроллер памяти, а это не самый эффективный способ. Кроме того, как и в более ранних структурах Intel, при подобном подходе общее быстродействие системы ставится в зависимость от быстродействия системной шины. Но, несмотря на указанные недостатки и благодаря усовершенствованиям в микроархитектуре Intel Core, а также подключению дополнительных процессоров, четырехъядерные кристаллы Intel являются самыми быстрыми из представленных на рынке x64-совместимых процессоров. На рис. 1 показана схема четырехъядерного процессора Intel.

Разработчики процессора Barcelona от AMD пошли по другому пути: они разместили на одной полупроводниковой пластине четыре независимых процессора. В четырехъядерном кристалле AMD, как и в выпущенных ранее моделях Opteron, реализована фирменная архитектура Direct Connect Architecture. При изготовлении процессоров Barcelona будет использоваться технологический процесс 65 нм. Предусмотрен выпуск версий мощностью 68, 95 и 120 Вт. В соответствии с четырехъядерной природой модели все четыре ядра функционируют независимо друг от друга. Теоретически подлинно четырехъядерная модель обеспечивает также более эффективное энергопотребление, поскольку каждое ядро может повышать и понижать свою тактовую частоту в соответствии с нагрузкой.

В конструкцию процессора Barcelona был внесен ряд других важных усовершенствований. Он обеспечивает 128-разрядную обработку данных с плавающей запятой и оснащен новым кэшем третьего уровня емкостью 2 Мбайт, используемым всеми ядрами. Поскольку каждый процессор выполняет в течение одного такта больший объем работы, повышение его производительности (составляющее порядка 15%) обеспечивает общее повышение быстродействия примерно на 40%. Важная особенность четырехъядерных процессоров AMD состоит в том, что на уровне гнезд они совместимы с существующими двухъядерными процессорами Socket F. Следовательно, современные двухъядерные системы, построенные с использованием технологии AMD Socket F, могут быть модернизированы до уровня четырех ядер путем обычной замены процессоров и последующей модернизации системы BIOS. Модель Barcelona должна превзойти четырехъядерные процессоры Intel и по масштабируемости. Каждое ядро четырехъядерной пластины процессора Barcelona в будущем теоретически может быть модернизировано до уровня двухъядерного кристалла. В сущности, это означает возможность размещения на одной четырехъядерной пластине четырех двухъядерных процессоров. На рис. 2 представлена четырехъядерная архитектура процессора AMD.

Важнейшие достоинства многоядерных процессоров состоят в том, что многозадачные и многопотоковые операционные системы, такие как Windows Vista, Windows Server 2003 и Windows XP, могут использовать возможности нескольких ядер для одновременного выполнения ряда отдельных потоков.

В вычислительной системе также может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Дата добавления: 2015-07-13