Функции, параметры и производительность микропроцессоров

1. Функции, параметры и производительность микропроцессоров

Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и интерфейсы.

Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) -функционально законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

1.1  Функции микропроцессоров

Микропроцессор выполняет следующие функции:

-      вычисление адресов команд и операндов;

-      выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

-      выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);

-      прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

-      обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;

-      выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

-      переход к следующей команде.

1.2  Параметры микропроцессоров

Основными параметрами микропроцессоров являются:

-      разрядность;

-      рабочая тактовая частота;

-      размер кэш-памяти;

-      состав инструкций;

-      конструктив;

-      рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

L1 - память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);

L2 - память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций - перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

1.3  Производительность процессора

До недавнишнего времени основной мерой производительности микропроцессоров (да и компьютеров) считалась их тактовая частота работы, и это было, вообще говоря, справедливо. Однако по мере усложнения архитектуры микропроцессоров (RISC - ядро, встроенная кэш-память, технология внутреннего умножения тактовой частоты) данный параметр работы устройств, хотя и остаётся важным показателем их производительности, уже не является определяющим. Именно этим можно объяснить, например, тот факт, что микропроцессор i486SX-25 производительнее i386DX-33.

В 1992 году фирма Intel предложила индекс для оценки производительности своих микропроцессоров - iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Сам индекс представляет из себя число, которое отражает относительную производительность данного устройства по сравнению с другими микросхема семейства х86 и Pentium. Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Заметим, что новый индекс не заменяет известные тестовые программы (benchmark) уже хотя бы потому, что измеряет относительную производительность микропроцессора, а не системы в целом. Кстати говоря, при вычислении индекса iCOMP учитываются операции со следующими «взвешенными» компонентами (числами): 16-разрядные целые (67%),16-разрядные действительные (3%), 32-разрядные целые (25%), 32-разрядные действительные (5%). К слову, именно величина производительности с индексом iCOMP использовалась фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium, например 735\90 и 815\100 для тактовой частоты 90 и 100 МГц. Следует, однако, учитывать, что в реальных системах может наблюдаться другое соотношение производительности процессоров. Связанно это как с особенностями конкретных системных плат, так и, в случае с Pentium, с тем, что для достижения максимальной производительности требуется оптимизация программных кодов.