Современные процессоры

Размещено на http://www.allbest.ru/

История появления и развития первых процессоров для компьютеров берет своё начало в середине двадцатого века. Сейчас уже невозможно себе представить, что как-то можно обойтись без персональных компьютеров, но сорок лет назад, процессор и компьютер были известны только в узких кругах. И в 1971 году фирма Intel дала жизнь первому микропроцессору, благодаря чему в дальнейшем персональные компьютеры различных типов, конфигураций и назначения, прочно вошли в нашу жизнь, и ими пользуются все и везде, от учащихся школ до инженеров и ученых.

Для студентов, которые обучаются по направлению ИВТ, вычислительная техника является основным инструментом. А главным узлом в ней является процессор. Процессор - это главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. В современных компьютерах в основном используются процессоры производства двух компаний - Intel [9] и AMD [8].

Вот главные характеристиками современных процессоров: 

intel процессор микроархитектура

Skylake -- кодовое название шестого поколения микроархитектуры центральных процессоров Intel Core. Особенности архитектуры: 14-нм технологический процесс, конструктивное исполнение LGA 1151, поддержка памяти DDR3L и DDR4 SDRAM, поддержка технологии Thunderbolt 3.0 (аппаратный интерфейс, служит для подключения периферийных устройств к компьютеру с максимальными скоростями передачи данных: 10 Гбит/с - 20 Гбит/с), IGP девятого поколения (отдельное устройство ПК или игровой приставки, выполняющее графическую отрисовку), встроенным eDRAM-буфером ёмкостью 128 Мбайт, с суммарной пиковой производительностью до 1152 гигафлопс, поддержка 512-битных векторных инструкций; поддержка SATA Express (последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации); новая шина -- DMI 3.0 с пропускной способностью до 3,9 Гбайт/с в каждую сторону, встроенный процессор обработки изображений - ISP (Image Signal Processing), обладающий встроенным интерфейсом CSI (Camera Sensor Interface).[14]

Kaby Lake -- это «доработанная» версия Skylake, но она приносит с собой некоторые важные новые функции, такие как - поддержка USB 3.1, в отличие от Skylake, где требуется наличие дополнительных контроллеров на материнской плате для работы USB 3.1 портов, обновленный графический чип, который поддерживает кодирование и декодирование HEVC (предназначен для видео 4K).[13]

Zen -- кодовое название микроархитектуры вычислительных ядер процессоров компании AMD, выполненных по технической норме 14 нанометров. Особенности архитектуры: два потока на ядро, снижение числа ошибок прогнозирования, кэш декодированных микроопераций, увеличенный объём кэш-памяти и оптимизация задержек доступа к ней, по 8 МБ общей кэш-памяти третьего уровня, по 512 КБ индивидуальной кэш-памяти второго уровня, по 64 КБ на инструкции и 32 КБ на данные в индивидуальной кэш-памяти первого уровня, два блока с реализацией аппаратных ускорителей стандарта шифрования AES. [11][12]

Zen+ -- кодовое имя для микроархитектуры процессоров AMD, которая пришла на смену Zen[15]. В рамках поколения Zen+ продукты были переведены на 12-нм 12LP техпроцесс. Изменения в микроархитектуре включают: улучшенную регулировку тактовой частоты в зависимости от нагрузки, улучшения скорости кэша и памяти. [16]

CORE I9-7980XE Ryzen 7 2700X

Процессоры ARM долгое время пребывали в тени процессоров архитектуры х86. Но с переходом IT-индустрии с персональных компьютеров на мобильные гаджеты все изменилось. ARM -- это архитектура для семейства 32- и 64-битных процессоров производства компании ARM Limited. В 2007 году в 98% мобильных телефонах мира стоял как минимум один процессор ARM. Эти процессоры обладают низким энергопотреблением, поэтому широко распространены на рынке портативной техники и особенно в сфере мобильных устройств.

В процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer). Так, большое количество сложных по своей структуре команд сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

В качестве альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники популярны две процессорные архитектуры - х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения выполняемых ею задач, включая редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM имеет крайне низкое энергопотребление и в целом достаточную производительность для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента. [17]

Усилия разработчиков универсальных микропроцессоров направлены на улучшение каждого из указанных характеристик, а также других характеристик, например, стоимость. Из-за противоречивости требований невозможно получить оптимальные значения всех показателей для любого процессора, поэтому при создании каждого конкретного типа микропроцессоров принимаются компромиссные решения.

Соперничество между AMD и Intel продолжается уже много лет. В целом, обе компании производят процессоры, которые находятся на близком расстоянии друг от друга практически по всем фронтам - цена, мощность и производительность. Микросхемы Intel, как правило, предлагают лучшую производительность на ядро, но AMD компенсирует это большим количеством ядер по заданной цене.

Сегодня 6ти и 8ми ядерные процессоры в домашнем ПК не кажутся избыточными, скорее они отражают потребности современных систем и нагрузок. На данный момент мы ещё находимся в начале развития в этой области. Современные, присутствующие на рынке, процессоры могут полностью удовлетворить все потребности пользователя. [2]

Компании не стоят на месте и каждый год выпускают улучшенные процессоры. В 2019 году Intel выпустит 10-нм процессоры Core с ядрами на архитектуре Sunny Cove. Они предложат улучшенную производительность одного ядра. В 2020 году им на смену придут процессоры на ядрах Willow Cove, которые, скорее всего, также будут построены на 10-нм техпроцессе. Для этих процессоров Intel заявляет изменения в структуре кеш-памяти, оптимизацию транзисторов (улучшения по части техпроцесса), а также новые функции защиты. Третьей анонсированной архитектурой процессоров Core станет Golden Cove, которая будет реализована в 2021 году. Эти процессоры могут быть выполнены как по 10-нм техпроцессу, так и по 7-нм. Они предложат более высокую производительность одного ядра, улучшение производительности в работе с искусственным интеллектом, а также улучшения по части сетевых подключений и безопасности. [6]

В свою очередь в 2019 году компания AMD выпустит центральные процессоры Ryzen 3000, которые будут построены на архитектуре Zen 2, а для их производства будет применяться 7-нм техпроцесс. Во всяком случае, это утверждение будет справедливо для старших моделей, тогда как младшие могут остаться на нынешней архитектуре Zen+ и 12-нм техпроцессе. Процессоры Ryzen 3000 смогут предложить до 16 ядер. Новинки смогут обеспечить ощутимый прирост производительности по сравнению с актуальными Ryzen 2000 как минимум за счёт перехода на 7-нм техпроцесс и возросших частот. Кроме того, вместе с новыми Ryzen выйдет и новый чипсет AMD X570, однако процессоры по-прежнему будут выполнены в корпусе Socket AM4 и должны сохранить совместимость с актуальными платами. [7]

Система автоматизированного проектирования

В настоящее время на основе современных вычислительных комплексов и средств автоматизации созданы и находятся в промышленной эксплуатации системы автоматизированного проектирования, позволяющие освободить конструктора-проектировщика от трудоемкой умственной работы. По сравнению с историей развития вычислительной техники история развития автоматизированных систем очень коротка. Однако без этих систем компьютеры никогда бы не стали тем, чем они являются сейчас - орудием труда миллионов специалистов, занятых проектированием в самых разных областях. История развития САПР достаточно условно можно разбить на 3 этапа:

70-е годы - были получены результаты, показавшие, что область проектирования в принципе поддается компьютеризации; в этот период основное внимание уделялось системам автоматизированного черчения. Многие программные продукты того времени назывались системами автоматизированного черчения - САЧ.

80-е годы - характеризуются активным применением микрокомпьютеров и супермикрокомпьютеров, появлением массовых систем и базовых программных продуктов для них. В эти же годы наряду с 2D черчением появились системы 3D моделирования.

90-е года - некоторые ошибки были исправлены (например, было убрано препятствие при передаче файла в одном формате на другую компьютерную систему). Сначала стали появляться разработчики ПО для конвертации данных из системы в систему. Потом крупные системы стали сами предоставлять возможность импорта и экспорта данных с другими распространенными системами.

С тех пор создатели совершенствуют модели, укомплектовывают новыми функциями и облегчают работу с ними.

Основная цель создания САПР -- повышение эффективности труда инженеров, включая:

· сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;

· сокращения сроков проектирования;

· уменьшение затрат на эксплуатацию;

· повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;

· сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение этих целей обеспечивается путём:

· автоматизации оформления документации;

· информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;

· использования технологий параллельного проектирования;

· унификации проектных решений и процессов проектирования;

· повторного использования проектных решений, данных и наработок;

· стратегического проектирования;

· замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;

· повышения качества управления проектированием;

· применения методов вариантного проектирования и оптимизации.

Программное обеспечение QuartusII фирмы Altera представляет полную мультиплатформенную среду проектирования, которая включает в себя все этапы проектирования цифрового устройства на ПЛИС при помощи различных языков описания цифровых устройств. Программное обеспечение QuartusII включает в себя средства для всех этапов проектирования с применением ПЛИС как FPGA, так и CPLD структур. На рисунке представлена общая структурная схема проектирования в среде QuartusII. [10]

Семейство процессоров

Системы команд CISC - процессоров включают множество мощных команд, которые непосредственно реализуют ряд операций, свойственных языкам высокого уровня, и поддерживают структуру управления потоком выполнения программы. Процесс выполнения таких команд может быть довольно сложным. Концепция CISC позволяет значительно сократить количество машинных команд, необходимых для реализации команд языка высокого уровня. Однако это возможно лишь в том случае, если сложные машинные команды могут быть выполнены быстро и эффективно, что на практике часто составляет проблему и требует увеличения площади микросхемы процессора. Кроме того, система команд типа CISC усложняет задачу оптимизирующих компиляторов.

Концепция RISC основана на использовании относительно простых команд и на первый взгляд может показаться менее эффективной, чем CISC, поскольку решение конкретной вычислительной задачи требует расширенного набора RISC - команд. Однако RISC - команды в большей степени подходят для конвейерного выполнения в связи с чем скорость их обработки выше. Главным преимуществом RISC - архитектуры является то, что она более эффективно используется оптимизирующими компиляторами. Еще одно ее достоинство связано с технологиями производства СБИС (сверхбольших интегральных схем). Поскольку для обработки команд в RISC - процессоре требуется меньшая площадь микросхемы, остается больше места для регистров и кэша. В результате сокращается количество обращений к данным и командам, хранящимся вне микросхемы процессора, и скорость выполнения программ значительно повышается.

На современных компьютерах главным образом используются системы команд типа RISC. На скорость выполнения команд процессором влияет множество факторов, а архитектура системы команд - это только один из них. [1]

Методика проектирования и отладки процессора.

В технической литературе можно встретить рисунки, изображающие структуру процессора. Внутри процессора помещаются регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), контроллеры памяти и периферийных устройств, некое абстрактное «устройство управления» и на этом перечень, в общем-то, заканчивается. Такое изложение является вполне достаточным для ознакомления с внутренним устройством компьютера, но совершенно не дает представления о том, какие процессы происходят внутри, как именно взаимодействуют между собой узлы процессора, и наконец, как необходимо приступать к его проектированию?

Первый этап проектирования: планирование архитектуры. Рассмотрим гипотетический 32-разрядный RISC-процессор Digital Processor (DP32). Архитектуру процессора на уровне регистров с описанным набором команд можно представить на рисунке ниже. DP32 состоит из набора регистров и АЛУ, соединенных шинами. Есть также буферы-защелки для интерфейса с шинами ABus и DBus, связывающими процессор и память, а также есть устройство управления, необходимое для согласования команд процесса. Программно доступные регистры реализованы с помощью массива регистров. Его порты Q1 и Q2 соединены соответственно шинами Ор1Bus и Ор2Bus. Адрес А2 для второго порта обычно берётся из поля r2 регистра текущей команды, но когда выполняется команда store, то используются поле r3 с адресом А3. Чтобы разрешить ситуацию с выполнением команд, используются мультиплексор, на который поступают адреса массива регистров А2 и А3. Шины Ор1Bus и Ор2Bus соединены со входами АЛУ, а выход АЛУ управляет шинной RBus. Результат может быть запомнен в буфере-защелке и занесён в регистр.

Коды команд, заданные 8-битными константами в описании пакета DP32, выглядят следующим образом.

Описание управляющего автомата. Реализация конвейера команд на основе поведенческой модели процессора DP32. Конвейеризация основана на разделении команды на более мелкие части, называемые ступенями, и выделения для каждой из них отдельного блока аппаратуры. Выполнение типичной команды можно разделить на следующие этапы: выборка команды, вычисление адреса памяти, выполнение операции и обращение к памяти и запоминание результата. Чтобы конвейеризовать DP32, разбиваем выполнение его команд на указанные ранее этапы, отведя для выполнения каждого этапа один такт синхронизации, и начинаем в каждом такте выполнение новой команды. Естественно, для хранения промежуточных результатов каждого этапа необходимо использовать промежуточные переменные. Хотя общее время выполнения одной команды в таком конвейере будет составлять четыре такта, в каждом такте в совмещенном режиме будет выполняться четыре различных команды. Каждый этап представим в виде процесса. Все процессы, работая параллельно, будут реализовывать механизм конвейеризации. Подсчитаем общее необходимое количество процессов: 4 - для каждого этапа выполнения команды, 1 -- для обеспечения механизма перезапуска процессора (Reset) и 2 - для разрешения конфликтов (по памяти и по регистрам). Все процессы будут запускаться по приходу определенных сигналов, синхронизирующих их работу. Таким образом, информация между процессами будет передаваться в виде сигналов, а внутри самих процессов будут определяться переменные, соответствующие данным сигналам. [18]

Список литературы

1. К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки «Организация ЭВМ» 5 издание - в данном источнике были рассмотрены принципы построения компьютерных систем, конструкции аппаратных средств с учетом их взаимодействия с системным программным обеспечением.

2. https://3dnews.ru/980975/itogi-2018-goda-protsessori-dlya-pk - в данной статье была взята информация о событиях и анонсах 2018 года. Тенденции в развитии процессоров

3. https://www.theverge.com/2018/10/8/17950322/intel-9th-generation-processors-launch-october-event

4. https://www.theverge.com/2018/10/8/17950968/intel-9th-gen-core-chips-2018-desktop-processors-8-core-i9-9900k - в данных статьях информация о новейших процессорах компании AMD

5. https://3dnews.ru/963758 - в данной статье информация о новейших процессорах 9-го поколения Intel, в том числе «лучший игровой процессор» Core i9

6. https://3dnews.ru/971135 - в данной статье информация о анонсированных процессорах компании Intel

7. https://3dnews.ru/980168 - в данной статье информация о анонсированных процессорах компании AMD

8. Сайт компании AMD. - URL: www.amd.com - в данном источнике были рассмотрены характеристики современных процессоров компании AMD

9. Сайт компании Intel. - URL: www.intel.ru - в данном источнике были рассмотрены характеристики современных процессоров компании AMD

10. http://altera.ru - в данном источнике была рассмотрена система автоматизированного проектирования QuartusII. Основные сведения, возможности, особенности и др.

11. https://www.anandtech.com/print/10591/amd-zen-microarchiture-part-2-extracting-instructionlevel-parallelism

12. https://www.anandtech.com/print/10578/amd-zen-microarchitecture-dual-schedulers-micro-op-cache-memory-hierarchy-revealed - в данных источниках были рассмотрены характеристики архитектуры Zen

13. https://www.fool.com/investing/general/2015/06/29/intel-corporation-is-doing-something-smart-with-it.aspx - в данном источнике были рассмотрены характеристики архитектуры Kaby Lake

14. https://nvworld.ru/news/unlocked-desktop-skylake-in-q3/ - в данном источнике были рассмотрены характеристики архитектуры Skylake

15. https://www.anandtech.com/show/12233/amd-tech-day-at-ces-2018-roadmap-revealed-with-ryzen-apus-zen-on-12nm-vega-on-7nm

16. https://www.forbes.com/sites/antonyleather/2018/01/07/amd-confirms-new-zen-ryzen-cpus-for-april-2018-x470-chipset-threadripper-and-apus-inbound-too/#2ec4635d11ed - в данных источниках были рассмотрены характеристики и тенденции линейки микроархитектуры Zen и Zen+

17. https://itc.ua/articles/protsessoryi-arm-osobennosti-arhitekturyi-otlichiya-i-perspektivyi/ - в данной статье была взята информация о процессорах ARM, особенностях архитектуры по сравнению с х86

18. Амосов В. В. «Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств»

19. https://www.kit-e.ru/articles/plis/2006_3_58.php - рассмотрено проектирование конфигурируемых процессоров на базе ПЛИС.

Размещено на Allbest.ru