Главная arrow Термины arrow Техническое обеспечение автоматизированных систем arrow МИКРОПРОЦЕССОР, ЦЕНТРАЛЬНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОР, МП [microprocessor, processor]

МИКРОПРОЦЕССОР, ЦЕНТРАЛЬНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОР, МП [microprocessor, processor]

Микропроцессор - это, Что такое микропроцессор, Определение термина микропроцессор, Буферный процессор, Препроцессор, CISC, RISC, Процессор-клон, Клон, GPU, IGP, МСР, МРХ, SMP, Тактовая частота, Быстродействие ЭВМ, Производительность ЭВМ, Индекс производительности, Индекс ICOMP, Флоп, Разрядность, Core, MTBF, Superscalar, Superpipelined

Центральный процессор, выполненный на сверхбольшой интегральной схеме (СБИС). МП является устройством, реализующим выполнение программ и управляющим работой остальных узлов и устройств ПК. Его характеристики определяют возможности и области практического использования ПК, а также их техническую совместимость.
Модели микропроцессоров отличаются архитектурой, тактовой частотой и разрядностью. В частности, МП одной модели могут иметь различную тактовую частоту, задаваемую ее генератором, и, соответственно, различаться по производительности.
Историческая справка
В наиболее распространенных в мире моделях МП, выпущенных корпорацией Intel (INTegrated Electronics Corp.) до 1998 г. и используемых в ПК типа IBM PC, а также совместимых с ними ПК других фирм, применялась маркировка: 8086, 8088 —для первых ПК класса IBM PC/XT и 80286, 80386, 80486 —для машин класса IBM PC/AT. Первые две цифры в указании марки модели МП корпорации Intel часто опускались и приводились в виде: 286, 386, 486 или I286, I386, i486. Дополнительные буквенные и буквенно-цифровые обозначения в маркировке изделий МП корпорации Intel несут сведения о подвиде модели. Наиболее часто встречаются следующие варианты: SX —(условно) промежуточная версия между предыдущей и данной моделью МП в том числе по производительности (для МП класса выше i486 такой промежуточной моделью является МП OverDrive); DX —основной вариант данной модели МП, DX2 (3, 4, ...) —варианты данной модели с повышенной производительностью, кратной цифровому индексу.
Указанный ряд моделей МП корпорации Intel (в литературе также используется обозначение — "Семейство Intel х86") характеризуется последовательностью выпуска МП, а также возрастанием их производительности и стоимости. Сказанное относится и к последующим выпускам моделей МП корпорации Intel: Pentium, Pentium Pro или P6 (старое наименование) и Pentium II.
Тактовая частота МП Intel 8086 и 8088 находилась в пределах от 4,7 до 10 МГц (менее 1 млн операций/с.), 80286 —от 6 до 12 МГц, 80386 —от 16 до 33 МГц (1991 г.), 486 от 20 до 66 МГц (1992 г.), Pentium —от 60 до 200 МГц (100-200 и более операций/с), Pentium Pro (Р6) —тактовые частоты 133, 150, 166, 180 и 200 МГц, Pentium II —233, 266, 300, 333, 350, 400 и 450 МГц. В середине 1998 г. корпорация Intel провела тестирование нового процессора класса Pentium с тактовой частотой 1000 МГц (т. е. 1 ГГц). Выпущенные в 1999 г. с февраля по июль модели версий Pentium III имели тактовую частоту соответственно 500, 550 и 600 МГц. В марте 2000 г. сначала фирма AMD (Advanced Micro Devices), а за нею и Intel выпустили на мировой рынок первые партии микропроцессоров Coppermine с тактовой частотой в 1 ГГц. В 1999-2000 гг. все ведущие фирмы-производители микропроцессоров начали активно работать над созданием моделей, работающих на частотах 1,3-1,5 ГГц и выше, в частности модели Pentium 4 Willamette-479 (называемой также Вилли [Whilly сокр. от Willamette]). В 2001 г. появились первые системы на базе процессора Pentium 4 и Athlon МР, устойчиво работающие при тактовой частоте 1,8 ГГц. Очередная модификация Pentium 4, выпущенная фирмой Intel в начале 2002 г. под кодовым названием Northwood, благодаря внедрению 0,13 мкм технологии позволила увеличить тактовую частоту первоначально до 2,2 ГГц, затем до 2,24 ГГц, к середине года — до 2,53 ГГц, в августе 2002 г. — 2,8 ГГц, в ноябре 2002 г. — 3,05 ГГц, в сентябре 2003 г. — 3,2 ГГц (процессор Intel Pentium 4 Extreme Edition 3200), в ноябре 2004 г. — 3, 46 ГГц, в феврале 2005 г.— 3,8 ГГц. Одновременно Intel объявила, что не планирует больше производить наращивание тактовой частоты, но собирается добиваться дальнейшего увеличения производительности другими средствами. Тем не менее, фирма AMD продолжила этот процесс, выпустив процессор AMD Athlon 64 4000+.
Технология. В ноябрьской 2002 г. модели МП корпорация Intel изменила архитектуру микропроцессора, обеспечив этим поддержку технологии Hyper-Threading, которая была разработана ранее для серверных двухъядерных процессоров Intel Хеоп. В то время технология Hyper-Threading являлась промежуточной между многопоточной обработкой, осуществляемой в многопроцессорных системах, и параллелизмом, реализуемым на уровне инструкций в однопроцессорных системах. Она позволила повысить среднюю производительность процессора без увеличения тактовой частоты приблизительно на 30%. На Форуме корпорации Intel для разработчиков (Intel Developer Forum, IDF), прошедшим в феврале 2003 г., сообщалось о выпуске ряда версий процессоров и чипсетов для мощных настольных ПК. Процессор с кодовым наименованием Prescott производится по усовершенствованной ЭО-нанометровой технологии Hyper-Threading в микроархитектуре NetBurst, с добавлением новых 13 команд. Планировалось довести тактовую частоту до 4-5 ГГц. Для этого процессора готовились к выпуску два новых набора микросхем под кодовыми наименованиями Springdale и Canterwood, которые должны были отличаться дополнительными функциями, в частности поддержкой двухканальной памяти DDR400, высокоскоростной системной шиной с тактовой частотой 800 МГц, встроенным интерфейсом AGP 8х и контроллером Serial ATA/RAID. Однако с 2005 г. производство микропроцессоров по технологии NetBurst, по-видимому, будет свертываться, поскольку тепловыделение новых Pentium 4 не только не сократилось, но и увеличилось, достигнув технологического порога. В дальнейших планах корпорации на 2005-2007 гг. предусмотрен переход на 65-нанометровую технологию производства микросхем, повышение тактовой частоты до 6 ГГц и более производительную платформу Caneland на базе 4-ядерного процессора Tigerton.
Разрядность. Модели МП ряда Intel до 80386 были 16-разрядными (исключение составляет 8-разрядная модель МП 8088). Модели ряда 80386 стали выпускаться как 32-разряд ные МП с дальнейшим переходом на использование 64-разрядных шин данных начиная с модели Pentium (регистры в этих МП остались 32-разрядными). Разработка 64-разрядных микропроцессоров начата фирмой Intel во второй половине 1990-х гг. в рамках архитектуры, получившей наименование Itanium 2 (McKinley). Они предназначены для оборудования мощных серверов, предназначенных для поддержки крупных (корпоративных) БД, интеллектуального анализа значительных объемов данных, решения финансовых задач, автоматизированного проектирования, управления цепочками поставок и ресурсами предприятий и других ресурсоемких приложений. Однако основной конкурент Intel —AMD выпустила первую модель своего 64-разрядного процессора раньше (в середине 2003 г. процессор Athlon ХР 3200). В феврале 2005 г. Intel объявила о выпуске серии 64-разрядных процессоров Pentium Extreme Edition 4 бхх (с тактовой частотой от 3,0 ГГц до 3,7 ГГц и частотой системной шины соответственно от 800 МГц до 1066 МГц).
Об этих и других разработках корпорации Intel (в том числе —наборе микросхем для четырехпроцессорных систем TwinCastle; новых версиях процессора Itanium 2: Deerfield и Montecito).
Мобильный процессор [Mobile Processor] — центральный микропроцессор, предназначенный для использования в ноутбуках и других видах переносных (мобильных) ПК. Основной особенностью этих процессоров является наличие в них средств управления энергопотреблением для увеличения времени автономной работы ПК. Одной из технологий, реализующей указанные свойства, является Enhanced Intel SpeedStep, позволяющая снижать частоту процессора и напряжение питания при работе от батарей в режиме ожидания (Deeper Sleep), а также технология IMVP (Intel Mobile Voltage Positioning), динамически изменяющая напряжение питания процессора в зависимости от его загрузки. Указанные технологии использованы при разработке специальных версий мобильных процессоров, например Intel Pentium lll-М и Intel Pentium 4-М.
В марте 2003 г. корпорация Intel произвела презентацию новой технологии для мобильного ПК Intel Centrino. Эта технология включает в себя следующие составляющие: микропроцессор Intel Pentium М (ранее известный под кодовым названием Banias), чипсет Intel 855 (ранее Odem), а также чипсет 855GM (ранее Montara-GM) и беспроводное соединение (стандарт: IEEE 802.11 он же Wi-Fi) —Intel PRO/Wireless. Процессор Pentium М выполнен по 0,13 мкм технологии (имеет 77 млн транзисторов). Существуют три различных его варианта: Intel Pentium М, Intel Pentium М Low Voltage (LW) и Intel Pentium M Ultra Low Voltage (ULV). Различаются эти процессоры напряжением питания и поддерживаемыми тактовыми частотами: первый имеет тактовые частоты 1,3; 1,4; 1,5 и 1,6 ГГц; второй—1,1 ГГц; третий —900 МГц.
Типы процессоров
 - Буферный процессор [front-end processor] —процессор или специализированная микроЭВМ, реализующая промежуточную обработку данных, которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами ввода-вывода.
 - Препроцессор [preprocessor]:
1) программа, выполняющая предварительную обработку данных для другой программы;
2) то же, что буферный процессор.
 - CISC (Complex Instruction Set Computing) — "Вычислитель со сложным набором команд": технология и архитектура построения микропроцессоров корпорации Intel.
 - RISC (Redused Instruction-Set Computing) —"Вычисления с сокращенным набором команд": технология и архитектура построения микропроцессоров, альтернативная технологии CISC. Принцип построения RISC-процессоров основан на применении набора простых команд и на их основе сборки требуемых более сложных команд. Это позволяет сделать микропроцессоры более компактными и производительными, а также менее энергоемкими и дорогими. Другое преимущество технологии RISC заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости ПЭВМ типа IBM PC и Macintosh фирмы Apple.
Историческая справка
Работы, направленные на реализацию указанной возможности, ведутся с 1992 г. фирмами Apple, IBM и Motorola в рамках проекта PowerPC. В 1994 г. фирмой Apple была выпущена первая ПЭВМ Power Macintosh с МП PowerPC (Performance Optimized With Enhanced RISC Personal Computer). Один из МП этого вида — 132-х МГц PowerPC 604 являлся на период его выпуска самым производительным и в указанном плане составил конкуренцию МП Pentium, а возможно и Pentium Pro. Однако полной совместимости с МП ряда Intel он, так же, как и другие модели PowerPC, пока не обеспечил (для согласования этих систем использовался программный транслятор, преобразующий команды х86 в команды PowerPC, который обеспечивает возможность поддержки ограниченного числа применяемых IBM PC программных продуктов). Сказанное ограничило массовое применение МП PowerPC. Тем не менее объем продаж МП PowerPC в течение одного года с момента выпуска первой ПЭВМ Power Macintosh составил более одного млн машин.
 - Процессор-клон, клон [cloneprocessor, clone] —процессор, выпускаемый другой фирмой —не его основным разработчиком и производителем, в том числе по лицензии или без нее.
Историческая справка
Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium, ....Pentium III и т.д., выпускаемые другими фирмами —не Intel. Как правило, клоны представляют собой собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью» так и только частично совместимы с оригинальной продукцией корпорации Intel, иметь отличные от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними. Так, например, 29 ноября 1999 г. фирма AMD (Advanced Micro Devices) выпустила и провела презентацию микропроцессора Athlon 750 (МГц), впервые в мире произведенного по так называемой алюминиевой 0,18 мкм технологии и превысившего по производительности микропроцессор Intel Pentium III 733 МГц. В марте 2000 г. фирма AMD выпустила на мировой рынок первую партию микропроцессоров с тактовой частотой в 1 ГГц, а в октябре того же года —процессор Athlon 1,2 ГГц и Duron 800 ГГц. В 2001 г. фирма AMD выпустила версию Athlon ХР 1800+, которая имеет тактовую частоту 1,53 ГГц, в 2002 г.— микропроцессор Athlon ХР 2200+, использующий 0,13 мкм технологию и имеющий тактовую частоту 2,4 ГГц. В феврале 2003 г. для одно- и двухпроцессорных серверов и рабочих станций она представила свои процессоры Athlon ХР 2500+ с 333-мегагерцовой системной шиной (ее реальная тактовая частота —2083 МГц), Athlon ХР 2800+ и Athlon ХР 3000+. В середине 2003 г. был произведен выпуск 64-разрядного процессора Athlon ХР 3200+, осенью того же года был выпущен центральный процессор AMD Athlon 64 3700+, а в конце 2004 г.— AMD Athlon 64 4000+. Все указанные модели процессоров выполнены на базе ядра Barton и оснащены дополнительной интегрированной кэш-памятью.
Однако главным событием в борьбе фирм AMD и Intel в 2002 г. стала разработка нового 64-разрядного процессора под кодовым названием Hammer (по другим источникам — Clawhammer), на смену которого осенью 2003 г. пришел микропроцессор Athlon 64 3200+, предназначенный для применения в различных ПК —от мощных серверов до настольных и мобильных систем. С целью поднятия рейтинга своей продукции с этого времени фирма AMD начала выпускать новые модели микропроцессоров под торговой маркой Sempron, заменив ранее используемое ее наименование —Duron (не путать марку процессора и торговую марку!).
Все новейшие процессоры AMD также, как и Intel поддерживают стандарт управления питанием ACPI v.2.0, обеспечивающий энергосбережение. Следует отметить, что, как правило, новые выпуски чипов AMD на $200-300 дешевле Pentium 4. Учитывая высокое качество клонов и их более низкую стоимость по отношению к микропроцессорам фирмы Intel, имеющим близкие или равные характеристики, клоны имеют высокую конкурентную способность на мировом рынке.
По данным игровые процессоры AMD Athlon 64 FX-55/57, а также бюджетные процессоры 2005 г. этой фирмы стали мировыми лидерами, превзойдя по основным показателям процессоры корпорации Intel.
Наиболее известными фирмами-производителями клонов являются AMD, Cyrix, IBM Microelectronics, SGS-Thomson, Texas Instruments, NexGen и др.
О популярных клонах микропроцессоров ряда Pentium, их характеристиках, результатах сопоставительного с процессорами корпорации Intel тестирования
 - GPU (Graphics Processing Unit) —графический процессор, который берет на себя часть функций по формированию трехмерного (3D) изображения и позволяет разгрузить центральный процессор (CPU) от выполнения операций, связанных с расчетами геометрических трансформаций, моделей освещения и т.д. О современных графических процессорах, их характеристиках и выборе.
 - IGP (Integrated Graphics Processor) —"Интегрированный графический процессор": микропроцессор, обеспечивающий функции северного моста интегрированного мультимедийного чипсета фирмы nVIDIA. Он состоит из интегрированного графического ядра GeForce 2 GPU, архитектуры памяти Twin-Bank (отличается тем, что для увеличения быстродействия доступ к памяти производится по двум независимым 64-битным шинам), динамического адаптивного предпроцессора с предсказанием ветвлений —DASP (Dynamic Adaptive Speculative Pre-Processor) и интерфейса Hyperlransport для связи с южным мостом. О последней на конец 2005 г. модели процессора фирмы nVIDIA — GeForce 7800GIX (память GDDR3 —256 Мбайт, частота ядра — 430 МГц, частота памяти —1,2 ГГц).
 - МСР (Media & Communications Processor) — "Звуковой и коммуникационный микропроцессор", обеспечивающий функции южного моста интегрированного мультимедийного чипсета фирмы nVIDIA. Он включает аудиопроцессор—APU (Audio Processor Unit), технологию распределения потоков данных Streamlhru, полный набор средств коммуникации (Complete Communication Suite) и интерфейс Hyperlransport для связи с северным мостом.  - МРХ (Multiprocessor extended) — "Многопроцессорное расширение".
В декабре 2001 г. фирма AMD (Advanced Micro Devices) выпустила в массовое производство набор микросхем AMD-760MPX, основанный на использовании двух микропроцессоров Athlon МР или Duron МР, памяти DDR SDRAM и принципе построения SMP-систем. AMD-760MPX обеспечивает эффективное и сравнительно недорогое совместное выполнение задач группой процессоров. Высокая производительность подобных систем зависит от выбранных способов передачи данных от центрального процессора по системной шине и оптимизации работы системной памяти. В 2002 г. фирма AMD выпустила кристалл Athlon ХР 2200+, имеющий тактовую частоту 2,4 ГГц, в 2003 г. — 64-х разрядный Athlon 64 3200+ практически догнав, таким образом, Intel, осенью того же года был выпущен центральный процессор AMD Athlon 64 3700+ (2,4 ГГц), а в конце 2004 г.-Athlon 64 4000+.
 - SMP (Symmetric Multiprocessor systems) — "Симметричные многопроцессорные системы": принцип построения многопроцессорных систем, основанный на разделении потока обрабатываемых инструкций и данных между двумя и более процессорами. Одной из первых его реализаций явилась версия технологии Hyper-Threading, в основе которой лежало разделение одного процессора на два "виртуальных!", работающих по очереди. В 2005 г. компании AMD и Intel с разницей в несколько месяцев выпустили свои двухъядерные процессоры.
 "Двухъядерность" означает наличие на кристалле (площадью ~ 200 мм^2) двух независимых процессоров, работающих одновременно (параллельно). Это ведет к увеличению производительности ПК на 80-100%. Двухъядерные процессоры компании AMD построены на основе ядер Opteron (в версиях с тактовой частотой 1,8-2,2 ГГц) и Athlon. Первым присвоена дополнительная маркировка —2хх и 1хх, вторым — Х2 (например —Athlon 64 Х2 4200). В основе конструкции наиболее производительных двухъядерных процессоров компании Intel (например Intel Pentium Extreme Edition 840) лежит использование двух процессоров Prescott, снабженных согласующей их работу логикой. Все двухъядерные Pentium 4 получили наименование Pentium D и номера восьмисотой серии. В ноябре 2005 г. компания Intel анонсировала четыре модели процессора 7000 серии на базе двухъядерных Xeon’ов, различающихся тактовой частотой, объемом кэш-памяти второго уровня для каждого процессорного ядра и частотой поддерживаемых системных шин. Активно ведутся работы по увеличению количества ядер на одном кристалле. По отношению к таким многопроцессорным системам и тех нологии их производства используются термины: многоядерные процессоры и многоядерные технологии.
Некоторые термины, связанные с процессорами и их работой
 - Тактовая частота [clock rate] — частота синхронизирующих работу ЭВМ тактовых импульсов, задаваемых генератором тактовой частоты, которые регулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Значение тактовой частоты, влияет на быстродействие компьютера. Однако ошибочно считать, что эта связь имеет характер прямопропорциальной зависимости.
 - Быстродействие, производительность (ЭВМ) [performance] — показатель качества ЭВМ, который оценивается в миллионах элементарных операций, выполняемых в одну секунду (mips).
 - mips (Million Instructions Per Second) — аббревиатура, обозначающая быстродействие (микро)процессора в миллионах операций в секунду.
 - Индекс производительности, индекс ICOMP [iCOMP, Intel Comparative Microprocessor Performance] — число, соответствующее относительной производительности конкретного микропроцессора в сопоставлении с производительностью МП i486SX-25, величина которой принята за 100. Указанная мера измерения введена фирмой Intel в 1992 г. в связи с тем, что производительность МП зависит не только от тактовой частоты, но и других особенностей конструкции МП, например, наличия схем параллельной обработки сигналов (RISC-технология), встроенной кэш-памяти применения технологии внутреннего умножения частоты, пропускной способности шины и т.д. О производительности последних (на май 2005 г.) версий процессоров AMD и Intel.
 - Флоп [FLOP, FLOating Point operation per second] — "Количество операций с плавающей запятой в секунду": единица измерения производительности (скорости работы) ЭВМ.
 - Разрядность — длина обрабатываемого двоичного слова (байта), выраженная в битах.
 - Разрядный — термин, обозначающий разрядность технических и программных продуктов, например 32-разрядный, 64-разрядный и т. п.
 - Core —"Ядро": часть процессора, выполняющая арифметико-логические операции.
 - MTBF (Mean Time Between Failures) —"Среднее время между отказами": значение, обозначающее надежность работы технических средств и выраженное в среднестатистическом времени безотказной работы устройства (в том числе процессора, ЭВМ и т.д.).
 - Superscalar —"Суперскалярность": способность параллельного исполнения процессором нескольких команд.
 - Superpipelined — "Суперконвейерность": режим исполнения команд процессором, при котором команда разбивается на большое число очень простых "фаз", каждая из которых исполняется очень быстро, а отдельные фазы конвейеризуются как для одной, так и для нескольких соседних команд. Обычно суперконвейерными считаются процессоры, в которых число фаз конвейера превышает 8-10. Для сравнения, в 486-м процессоре 4 фазы, в Pentium —5, в Pentium MMX —6, в Pentium II —11 и более фаз.