Основные характеристики центрального процессора

Возможности процессора определяются следующими основными характеристиками:

· степенью интеграции или непосредственно связанной с ней технологией производства;

· внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

· частотой тактового генератора для процессора;

· производительностью процессора;

· объемом памяти, к которой может адресоваться процессор;

· объемом каждого вида кэш-памяти;

· поддерживаемой частотой системной шины;

· типами оперативной памяти;

· набором команд;

· используемыми архитектурами и технологиями;

· напряжением электропитания и потребляемой мощностью;

· вариантом поставки;

· способом подключения.

Степень интеграции любой микросхемы, в том числе и процессора, показывает, сколько транзисторов умещается в ней (как видно из раздела 1.3.3.1, для процессоров Intel эта характеристика изменилась от десятков тысяч до сотен миллионов транзисторов). Технология изготовления для тех же процессоров изменилась с 3 микрон (3*10-6 метра) в Intel 4004 до 45 нанометров (45*10-9 метра) в последних моделях процессоров Intel.

Одной из основных характеристик процессора является количество бит, ко­торое он может обрабатывать одновременно – внутренней разрядностью. У процессоров Pentium внутренняя разрядность равна 32, а в процессорах Itanium и процессорах Sun UltraSPARC и Power PC внутренняя разрядность равна 64. Внешняя разрядность для процессора определяется разрядностью системной шины и равна 64 в процессорах семейства Pentium, а в процессорах Itanium – 128.

Важнейшими характеристиками процессора, являются частота тактового генератора и зависящий от нее такт работы процессора, называемый также машинным тактом или циклом. В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций процессора. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора, выражаемая количеством выполняемых команд (операций) в единицу времени. Величина машинного такта обычно составляет 10-100 наносекунд, а частота тактового генератора для 64-разрядных процессоров превысила 1,4 ГГц, а для 32-разрядных – 3 ГГц.

Производительность процессора, как уже указывалось, определяется не только тактовой частотой, но и количеством команд, выполняемых за один такт. Производительность процессора обычно определяется в MIPS (Million Instructions Per Second – миллионах операций в секунду). Однако измерить эту характеристику отдельно для процессора очень трудно, поэтому обычно измеряют производительность всего компьютера. Существует много тестовых программ (benchmarks) для проверки производительности компьютера, обычно проверяющие производительность для отдельных групп команд (например, тест SPECint и SPECfp для проверки производительности компьютера для команд работы с целыми числами или числами с плавающей точкой) или для определенных классов задач (например, тест SPECweb для программ, работающих с Internet). При выборе процессора по показателям его производительности следует иметь в виду, что производители приводят, как правило, результаты тех тестов, в которых их процессор показал наилучшие результаты, но на компьютере могут, во-первых, выполняться не те классы задач, для которых эти результаты получены, а во-вторых, на производительность компьютера, кроме центрального процессора, могут оказать существенное влияние и другие устройства (в особенности оперативная память), а также используемая операционная система.

Объем памяти, к которой может адресоваться процессор, определяется шириной адресной шины. У процессоров первых IBM-совместимых компьютеров ширина адресной шины составляла 20 бит и, соответственно, максимальный объем адресуемой памяти – 1 Мбайт, а у современных компьютеров – 64 Гбайта (при ширине адресной шины 36 бит). У процессоров Itanium, UltraSPARC и 64-разрядных PowerPC ширина адресной шины равна 64, и соответственно, максимальный объем адресуемой памяти равен 264 байт.

Как видно из приведенных объемов памяти, процессоры могут адресовать гораздо больше памяти, чем фактически установлено (и может быть установлено) на материнской плате, что связано с конструктивными и технологическими особенностями произ­водства материнских плат. Поэтому ограничения на объем оперативной памяти определяется не процессором, а количеством слотов для подключения на материнскую плату и допустимыми типами подключаемой оперативной памяти.

Существенное влияние на производительность процессора оказывает количество уровней иерархии кэш-памяти и объем кэш-памяти каждого уровня.

Так, объемы кэш-памяти в последних моделях процессоров Intel: L1 – (по 8-16 Кбайт для команд и данных), L2 – 1-12 Мбайт, L3 – 2-16 Мбайт (есть не во всех моделях процессоров).

Поддерживаемая частота системной шины (некоторые процессоры поддерживают несколько частот) определяет скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами (прежде всего, оперативной памятью). Используемые в настоящее время частоты – 1066-1600 МГц.

С помощью системной шины процессор подключается к внутренней (оперативной) памяти. Типами оперативной памяти, используемыми в последних моделях процессоров Intel, являются DDR 2 SDRAM и DDR 3 SDRAM (см. следующий раздел).

Существенной характеристикой процессора является используемый набор команд. Более старые модели процессоров Intel поддерживают набор команд IA-32, а все новые 32-разрядные процессоры – набор команд Intel 64. Процессоры Itanium поддерживают набор команд IA-64.

Для каждого процессора задается также поддерживаемый им набор архитектур и технологий. Более старые модели процессоров Intel Pentium поддерживают архитектуру NetBurst и (некоторые из них) технологию HTT, а новые модели – архитектуру Intel 64. Многоядерные 32-разрядные процессоры поддерживают Intel Core и технологию Multi-Core, а процессоры Itanium поддерживают архитектуру IA-64 и технологию Multi-Core (двухядерные процессоры). Все мощные процессоры Intel, предназначенные для серверов, поддерживают технологию Intel Virtualization. Архитектуру Intel Atom поддерживают только процессоры семейства Atom.

Напряжение электропитания и потребляемая мощность являются существенными для моделей процессоров, предназначенных для портативных компьютеров, поскольку они определяют время автономной работы компьютера (на батарейках). Так, различные модели семейства Intel Atom работают при напряжении электропитания от 0,75 до 1,6 вольт, а их потребляемая мощность лежит в диапазоне 0,65-2,5 ватт. Для моделей Pentium M напряжение электропитания лежит в диапазоне 1-1,4 вольт, а их потребляемая мощность – в диапазоне 4-24,5 ватт.

Для настольных компьютеров напряжение электропитания и потребляемая мощность не являются такими существенными характеристиками часто не указываются в характеристиках компьютеров. Однако, чем меньше значения этих характеристик, тем меньше нагревается процессор и тем меньше мощности требуется для его охлаждения. Например, модели по технологии Intel Core имеют напряжение электропитания от 1 до 1,3 вольт, а их потребляемая мощность лежит в диапазоне 5,5-35 ватт. Модели Itanium с низким напряжением электропитания (1,5 вольт) потребляют 62 ватта.

Для снижения потребления электроэнергии процессором во время его бездействия используется так называемый «спящий» режим при пониженном напряжении электропитания.

Начиная с процессоров Intel80486, в связи с ростом потребляемой мощности процессора, для них стала необходимой охлаждающая система в виде вентилятора, снабженного специальными ребристыми пластинами для улучшения отвода тепла. Процессор поставляется как без вентилятора (в этом случае вентилятор приобретается отдельно), так и вместе с вентилятором – так называемый «коробочный» (boxed) вариант поставки. Последние модели процессоров имеют систему слежения за температурой и ее регулирования.

Центральный процессор подключается к системной шине и схеме электропитания материнской платы.

Обычно процессор вставляется в гнездо материнской платы с помощью многоштырьковых разъемов (см. рис. 1.3.14). Так подключаются процессоры Pentium 4, Itanium, AMD и VIA. Например, для подключения Pentium используется 478-штырьковое гнездо (Socket 478) со специальным прижимным рычагом, обеспечивающим жесткое крепление процессора в гнезде, а для подключения Itanium используется 611-штырьковое гнездо.