2. Nel corso del loro sviluppo, le strutture a semiconduttore sono in continua evoluzione. Pertanto, i principi di costruzione dei processori, il numero di elementi inclusi nella loro composizione, come è organizzata la loro interazione, sono in continua evoluzione. Pertanto, le CPU con gli stessi principi di struttura di base sono generalmente chiamate processori della stessa architettura. E questi stessi principi sono chiamati architettura del processore (o microarchitettura).

Nonostante ciò, all'interno della stessa architettura, alcuni processori possono differire notevolmente l'uno dall'altro: le frequenze del bus di sistema, il processo di produzione, la struttura e le dimensioni della memoria interna, ecc.

3. In nessun caso dovresti giudicare un microprocessore solo in base a un indicatore come la frequenza del segnale di clock, che viene misurata in megahertz o gigahertz. A volte un "perc" con una velocità di clock inferiore può essere più produttivo. Molto importanti sono indicatori come: il numero di cicli necessari per eseguire il comando, il numero di comandi che può eseguire contemporaneamente, ecc.

Valutazione delle capacità del processore (caratteristiche)

Nella vita di tutti i giorni, quando si valutano le capacità del processore, è necessario prestare attenzione ai seguenti indicatori (di norma, sono indicati sulla confezione del dispositivo o nel listino prezzi o nel catalogo del negozio):

• Numero di core. Le CPU multi-core contengono 2, 4, ecc. su un chip (in un pacchetto). core di calcolo. Aumentare il numero di core è uno dei modi più efficaci per aumentare significativamente la potenza dei processori. Ma va tenuto presente che i programmi che non supportano il multi-core (di norma, questi sono vecchi programmi) non funzioneranno più velocemente su processori multi-core, perché. non può utilizzare più di un core;
• dimensione della cache. Contanti - molto veloce memoria interiore processore, da lui utilizzato come una sorta di buffer in caso di necessità di compensare “interruzioni” mentre si lavora con la RAM. È logico che più cache, meglio è.
• il numero di thread è il throughput del sistema. Il numero di thread spesso non corrisponde al numero di core. Ad esempio, l'Intel Core i7 quad-core funziona in 8 thread e supera molti processori a sei core in termini di prestazioni;
• frequenza di clock: un valore che mostra quante operazioni (cicli) per unità di tempo può eseguire il processore. È logico che maggiore è la frequenza, più operazioni può eseguire, ad es. più è produttivo.
• La velocità del bus con cui la CPU è collegata al controller di sistema sulla scheda madre.
• processo tecnico: più è piccolo, meno energia consuma il processore e, quindi, si riscalda meno.

Un personal computer è una cosa molto complessa e sfaccettata, ma in ogni unità di sistema troveremo il centro di tutte le operazioni e dei processi: un microprocessore. In cosa consiste un processore per computer e perché è ancora necessario?

Probabilmente molti saranno felici di sapere in cosa consiste il microprocessore di un personal computer. È costituito quasi interamente da pietre ordinarie, rocce.

Sì, è vero... Il processore contiene sostanze come, ad esempio, il silicio, lo stesso materiale che costituisce la sabbia e le rocce di granito.

Processore Hoff

Il primo microprocessore per un personal computer è stato inventato quasi mezzo secolo fa, nel 1970 da Martian Edward Hoff e dal suo team di ingegneri di Intel.

Il primo processore di Hoff funzionava a soli 750 kHz.

Le caratteristiche principali di un processore per computer oggi, ovviamente, non sono paragonabili alla figura sopra, le attuali "pietre" sono diverse migliaia di volte più potenti del loro antenato e prima è meglio familiarizzare con i compiti che esso risolve.

Molte persone credono che i processori possano "pensare". Va detto subito che non c'è un granello di verità in questo. Qualsiasi processore per personal computer per impieghi gravosi è costituito da molti transistor - una specie di interruttori che svolgono un'unica funzione - per saltare ulteriormente il segnale o interromperlo. La scelta dipende dalla tensione del segnale.

Se lo guardi dall'altra parte, puoi vedere in cosa consiste il microprocessore e consiste in registri: celle di elaborazione delle informazioni.

Per collegare la "pietra" con il resto dei dispositivi del personal computer, viene utilizzata una speciale strada ad alta velocità, chiamata "autobus". Piccoli segnali elettromagnetici "volano" attraverso di essa alla velocità della luce. Questo è il principio di funzionamento del processore di un computer o laptop.

dispositivo a microprocessore

Come è organizzato un processore per computer? In ogni microprocessore si possono distinguere 3 componenti:

1. Core del processore (è qui che avviene la divisione di zeri e uno);
2. La memoria cache è un piccolo archivio di informazioni all'interno del processore;
3. Un coprocessore è un centro cerebrale speciale di qualsiasi processore, in cui si svolgono le operazioni più complesse. Ecco il lavoro con i file multimediali.

Il circuito del processore del computer in una versione semplificata è il seguente:

Uno degli indicatori principali del microprocessore è la frequenza di clock. Mostra quanti cicli esegue la "pietra" al secondo. La potenza del processore del computer dipende dalla totalità degli indicatori sopra indicati.

Va notato che un tempo i lanci di razzi e il funzionamento dei satelliti erano controllati da microprocessori con una frequenza di clock mille volte inferiore a quella degli odierni "fratelli". E la dimensione di un transistor è 22 nm, lo strato di transistor è solo 1 nm. Per riferimento, 1 nm ha uno spessore di 5 atomi!

Ora sai come funziona un processore per computer e quali successi sono stati raggiunti dagli scienziati che lavorano nelle aziende produttrici di personal computer.

Il moderno consumatore di elettronica è molto difficile da sorprendere. Siamo già abituati al fatto che la nostra tasca è legalmente occupata da uno smartphone, un laptop è in una borsa, un orologio "intelligente" conta obbedientemente i passi sulla mano e gli auricolari si accarezzano sistema attivo riduzione del rumore.

È una cosa divertente, ma siamo abituati a trasportare non uno, ma due, tre o più computer contemporaneamente. Dopotutto, è così che puoi chiamare un dispositivo che ha processore. E non importa come appare un particolare dispositivo. Un chip in miniatura è responsabile del suo lavoro, avendo superato un percorso di sviluppo turbolento e rapido.

Perché abbiamo sollevato l'argomento dei processori? Tutto è semplice. Negli ultimi dieci anni, c'è stata una vera rivoluzione nel mondo dispositivi mobili.

Ci sono solo 10 anni di differenza tra questi dispositivi. Ma il Nokia N95 allora ci sembrava un dispositivo spaziale, e oggi guardiamo ad ARKit con una certa diffidenza

Ma tutto sarebbe potuto andare diversamente e il malconcio Pentium IV sarebbe rimasto l'ultimo sogno di un normale acquirente.

Abbiamo cercato di fare a meno di complicati termini tecnici e di raccontare come funziona il processore e scoprire quale architettura è il futuro.

1. Come è iniziato tutto

I primi processori erano completamente diversi da quello che puoi vedere quando apri il coperchio. blocco di sistema il tuo PC.

Invece dei microcircuiti negli anni '40 del XX secolo, relè elettromeccanici integrato con tubi a vuoto. Le lampade fungevano da diodo, il cui stato poteva essere regolato abbassando o aumentando la tensione nel circuito. Le strutture si presentavano così:

Per il funzionamento di un gigantesco computer erano necessari centinaia, a volte migliaia di processori. Ma, allo stesso tempo, non saresti in grado di eseguire nemmeno un semplice editor come NotePad o TextEdit dal set standard di Windows e macOS su un computer del genere. Il computer semplicemente non avrebbe abbastanza energia.

2. L'avvento dei transistor

Primo FET apparso nel 1928. Ma il mondo è cambiato solo dopo l'apparizione del cosiddetto transistor bipolari aperto nel 1947.

Alla fine degli anni '40, il fisico sperimentale Walter Brattain e il teorico John Bardeen svilupparono il primo transistor a punti. Nel 1950 fu sostituito dal primo transistor a giunzione e nel 1954 il noto produttore Texas Instruments annunciò un transistor al silicio.

Ma la vera rivoluzione arrivò nel 1959, quando lo scienziato Jean Henri sviluppò il primo transistor planare (piatto) al silicio, che divenne la base per i circuiti integrati monolitici.

Sì, è un po' complicato, quindi scaviamo un po' più a fondo e affrontiamo la parte teorica.

3. Come funziona un transistor

Quindi, il compito di un tale componente elettrico come transistorè controllare la corrente. In poche parole, questo piccolo interruttore complicato controlla il flusso di elettricità.

Il vantaggio principale di un transistor rispetto a un interruttore convenzionale è che non richiede la presenza di una persona. Quelli. tale elemento è in grado di controllare autonomamente la corrente. Inoltre, funziona molto più velocemente di quanto faresti per accendere o spegnere il circuito elettrico da solo.

Da un corso di informatica scolastica, probabilmente ti ricorderai che un computer "capisce" il linguaggio umano attraverso la combinazione di due soli stati: "acceso" e "spento". Nella comprensione della macchina, questo è lo stato "0" o "1".

Il compito del computer è rappresentare la corrente elettrica sotto forma di numeri.

E se prima il compito di cambiare stato era svolto da relè elettrici goffi, ingombranti e inefficienti, ora il transistor ha assunto questo lavoro di routine.

Dall'inizio degli anni '60, i transistor iniziarono a essere realizzati in silicio, il che consentiva non solo di rendere i processori più compatti, ma anche di aumentarne significativamente l'affidabilità.

Ma prima, occupiamoci del diodo

Silicio(aka Si - "silicio" nella tavola periodica) appartiene alla categoria dei semiconduttori, il che significa che, da un lato, trasmette la corrente meglio di un dielettrico, dall'altro, lo fa peggio di un metallo.

Che ci piaccia o no, ma per capire il lavoro e l'ulteriore storia dello sviluppo dei processori, dovremo immergerci nella struttura di un atomo di silicio. Non abbiate paura, rendiamolo breve e molto chiaro.

Il compito del transistor è amplificare un segnale debole a causa di una fonte di alimentazione aggiuntiva.

L'atomo di silicio ha quattro elettroni, grazie ai quali forma legami (e per la precisione - legami covalenti) con gli stessi tre atomi vicini, formando un reticolo cristallino. Mentre la maggior parte degli elettroni sono legati, una piccola parte di essi è in grado di muoversi attraverso il reticolo cristallino. È a causa di questo trasferimento parziale di elettroni che il silicio è stato classificato come semiconduttore.

Ma un movimento così debole di elettroni non consentirebbe in pratica l'uso di un transistor, quindi gli scienziati hanno deciso di aumentare le prestazioni dei transistor di doping, o più semplicemente, aggiunte al reticolo cristallino del silicio da parte di atomi di elementi con una caratteristica disposizione di elettroni.

Così hanno iniziato a usare un'impurità 5-valente di fosforo, grazie alla quale hanno ricevuto transistor di tipo n. La presenza di un elettrone aggiuntivo ha permesso di accelerare il loro movimento, aumentando il flusso di corrente.

Quando si drogano i transistor tipo p il boro, che contiene tre elettroni, è diventato un tale catalizzatore. A causa dell'assenza di un elettrone, nel reticolo cristallino compaiono dei buchi (svolgono il ruolo di una carica positiva), ma poiché gli elettroni sono in grado di riempire questi buchi, la conduttività del silicio aumenta in modo significativo.

Supponiamo di prendere un wafer di silicio e di drogarne una parte con un'impurità di tipo p e l'altra con un'impurità di tipo n. Quindi abbiamo diodo- l'elemento base del transistor.

Ora gli elettroni situati nella parte n tenderanno ad andare nei buchi situati nella parte p. In questo caso, il lato n avrà una leggera carica negativa e il lato p avrà una carica positiva. Il campo elettrico formatosi a seguito di questa "gravità" - la barriera - impedirà l'ulteriore movimento degli elettroni.

Se si collega una fonte di alimentazione al diodo in modo tale che "-" tocchi il lato p della piastra e "+" tocchi il lato n, il flusso di corrente non sarà possibile a causa del fatto che i fori saranno essere attratto dal contatto negativo della fonte di alimentazione e gli elettroni verso il positivo e il legame tra gli elettroni p e n andrà perso a causa dell'espansione dello strato combinato.

Ma se si collega l'alimentatore con una tensione sufficiente al contrario, ad es. "+" dalla sorgente al lato p, e "-" al lato n, gli elettroni posti sul lato n saranno respinti dal polo negativo e spinti sul lato p, occupando buchi nel p- regione.

Ma ora gli elettroni sono attratti dal polo positivo della fonte di alimentazione e continuano a muoversi attraverso i buchi p. Questo fenomeno è stato chiamato diodo polarizzato in avanti.

diodo + diodo = transistor

Di per sé, il transistor può essere considerato come due diodi agganciati l'uno all'altro. In questo caso, la regione p (quella dove si trovano i fori) diventa comune per loro e viene chiamata “base”.

Il transistor N-P-N ha due regioni n con elettroni aggiuntivi - sono anche "emettitore" e "collettore" e una regione debole con buchi - la regione p, chiamata "base".

Se colleghi un alimentatore (chiamiamolo V1) alle n-regioni del transistor (indipendentemente dal polo), un diodo sarà polarizzato inversamente e il transistor sarà Chiuso.

Ma, non appena colleghiamo un'altra fonte di alimentazione (chiamiamola V2), impostando il contatto "+" sulla regione p "centrale" (base) e il contatto "-" sulla regione n (emettitore), alcuni degli elettroni scorreranno attraverso la catena nuovamente formata (V2) e la parte sarà attratta dalla regione n positiva. Di conseguenza, gli elettroni fluiranno nella regione del collettore e verrà amplificata una debole corrente elettrica.

Espira!

4. Quindi, come funziona effettivamente un computer?

E adesso il più importante.

A seconda della tensione applicata, il transistor può essere uno dei due aprire, o Chiuso. Se la tensione è insufficiente per superare la barriera di potenziale (la stessa alla giunzione delle piastre p ed n) - il transistor sarà nello stato chiuso - nello stato "off" oppure, nel linguaggio del sistema binario, " 0".

Con una tensione sufficiente, il transistor si accende e otteniamo il valore "on" o "1" in binario.

Questo stato, 0 o 1, è chiamato "bit" nell'industria dei computer.

Quelli. otteniamo la proprietà principale dello stesso interruttore che ha aperto la strada ai computer per l'umanità!

Nel primo calcolatore elettronico digitale ENIAC, o, più semplicemente, il primo calcolatore, sono state utilizzate circa 18mila lampade a triodo. Le dimensioni del computer erano paragonabili a quelle di un campo da tennis e il suo peso era di 30 tonnellate.

Per capire come funziona il processore, ci sono altri due punti chiave da capire.

Momento 1. Quindi, abbiamo deciso cos'è morso. Ma con il suo aiuto, possiamo ottenere solo due caratteristiche di qualcosa: o "sì" o "no". Affinché il computer impari a capirci meglio, hanno escogitato una combinazione di 8 bit (0 o 1), che hanno chiamato byte.

Usando un byte, puoi codificare un numero da zero a 255. Usando questi 255 numeri - combinazioni di zeri e uno, puoi codificare qualsiasi cosa.

Momento 2. La presenza di numeri e lettere senza alcuna logica non ci darebbe nulla. Ecco perché il concetto operatori logici.

Collegando solo due transistor in un certo modo, puoi ottenere più azioni logiche contemporaneamente: "e", "o". La combinazione della quantità di tensione su ciascun transistor e il tipo di connessione consente di ottenere diverse combinazioni di zero e uno.

Attraverso gli sforzi dei programmatori, i valori di zero e uno, il sistema binario, hanno iniziato a essere tradotti in decimali in modo da poter capire cosa esattamente "dice" il computer. E per inserire i comandi, le nostre azioni abituali, come l'inserimento di lettere dalla tastiera, sono rappresentate come una catena binaria di comandi.

In poche parole, immagina che ci sia una tabella di corrispondenza, diciamo, ASCII, in cui ogni lettera corrisponde a una combinazione di 0 e 1. Hai premuto un pulsante sulla tastiera, e in quel momento sul processore, grazie al programma, il i transistor commutavano in modo tale che sullo schermo apparisse: la lettera più scritta sul tasto.

Questa è una spiegazione piuttosto primitiva di come funzionano il processore e il computer, ma è questa comprensione che ci permette di andare avanti.

5. E iniziò la corsa ai transistor

Dopo che l'ingegnere radiofonico britannico Geoffrey Dahmer propose nel 1952 di posizionare i componenti elettronici più semplici in un cristallo semiconduttore monolitico, l'industria dei computer fece un balzo in avanti.

Dai circuiti integrati proposti da Dahmer, gli ingegneri sono passati rapidamente a microchip a base di transistor. A loro volta, molti di questi chip si sono già formati processore.

Naturalmente, le dimensioni di tali processori non sono molto simili a quelle moderne. Inoltre, fino al 1964, tutti i processori avevano un problema. Richiedevano un approccio individuale: il proprio linguaggio di programmazione per ciascun processore.

• 1964 Sistema IBM/360. Computer compatibile con codice di programmazione universale. Un set di istruzioni per un modello di processore potrebbe essere utilizzato per un altro.
• anni '70 L'aspetto dei primi microprocessori. Processore a chip singolo di Intel. Intel 4004 - TPU 10 µm, 2300 transistor, 740 kHz.
• 1973 Intel 4040 e Intel 8008. 3.000 transistor, 740 kHz per Intel 4040 e 3.500 transistor a 500 kHz per Intel 8008.
• Intel 8080 del 1974. TPU da 6 micron e 6000 transistor. La frequenza di clock è di circa 5.000 kHz. Era questo processore che veniva utilizzato nel computer Altair-8800. La copia domestica dell'Intel 8080 è il processore KR580VM80A, sviluppato dal Kyiv Research Institute of Microdevices. 8 bit
• Intel 8080 del 1976. TPU da 3 micron e 6500 transistor. Frequenza di clock 6 MHz. 8 bit
• 1976 Zilog Z80. TPU da 3 micron e 8500 transistor. Frequenza di clock fino a 8 MHz. 8 bit
• Intel 8086 del 1978. TPU da 3 micron e 29.000 transistor. La frequenza di clock è di circa 25 MHz. Il set di istruzioni x86 che è ancora in uso oggi. 16 bit
• 1980 Intel 80186. TPU da 3 micron e 134.000 transistor. Frequenza di clock - fino a 25 MHz. 16 bit
• 1982 Intel 80286. TPU da 1,5 micron e 134.000 transistor. Frequenza: fino a 12,5 MHz. 16 bit
• Motorola 68000 del 1982. 3 µm e 84.000 transistor. Questo processore è stato utilizzato nel computer Apple Lisa.
• 1985 Intel 80386. 1,5 micron tp e 275.000 transistor Frequenza - fino a 33 MHz nella versione 386SX.

Sembrerebbe che l'elenco potrebbe continuare all'infinito, ma poi gli ingegneri Intel hanno dovuto affrontare un problema serio.

6. La legge di Moore o come sopravvivono i produttori di chip

Uscito alla fine degli anni '80. Nei primi anni '60, uno dei fondatori di Intel, Gordon Moore, formulò la cosiddetta "Legge di Moore". Suona così:

Ogni 24 mesi, il numero di transistor su un chip del circuito integrato raddoppia.

È difficile chiamare questa legge una legge. Sarebbe più corretto chiamarla osservazione empirica. Confrontando il ritmo dello sviluppo tecnologico, Moore ha concluso che potrebbe formarsi una tendenza simile.

Ma già durante lo sviluppo della quarta generazione Processori Intel Gli ingegneri dell'i486 devono affrontare il fatto che hanno già raggiunto il limite massimo di prestazioni e non possono più soddisfare grande quantità processori nella stessa area. A quel tempo, la tecnologia non lo permetteva.

Come soluzione, è stata trovata una variante utilizzando una serie di elementi aggiuntivi:

• memoria cache;
• trasportatore;
• coprocessore integrato;
• moltiplicatore.

Parte del carico computazionale è caduto sulle spalle di questi quattro nodi. Di conseguenza, l'aspetto della memoria cache, da un lato, ha complicato il design del processore, dall'altro è diventato molto più potente.

Il processore Intel i486 consisteva già in 1,2 milioni di transistor e la frequenza massima del suo funzionamento raggiungeva i 50 MHz.

Nel 1995, AMD si è unita allo sviluppo e ha rilasciato il processore Am5x86 compatibile con i486 più veloce dell'epoca su un'architettura a 32 bit. Era già stato prodotto utilizzando una tecnologia di processo a 350 nanometri e il numero processori installati ha raggiunto 1,6 milioni di pezzi. La frequenza di clock è aumentata a 133 MHz.

Ma i produttori di chip non hanno osato aumentare ulteriormente il numero di processori installati su un chip e sviluppare la già utopica architettura CISC (Complex Instruction Set Computing). Invece, l'ingegnere americano David Patterson ha proposto di ottimizzare il funzionamento dei processori, lasciando solo le istruzioni computazionali più necessarie.

Quindi i produttori di processori sono passati alla piattaforma RISC (Reduced Instruction Set Computing), ma anche questo non è bastato.

Nel 1991 è stato rilasciato il processore R4000 a 64 bit, funzionante a una frequenza di 100 MHz. Tre anni dopo, appare il processore R8000 e due anni dopo, l'R10000 con velocità di clock fino a 195 MHz. Parallelamente, si sviluppò il mercato dei processori SPARC, la cui caratteristica architettonica era l'assenza di istruzioni di moltiplicazione e divisione.

Invece di litigare per il numero di transistor, i produttori di chip hanno iniziato a ripensare l'architettura del loro lavoro.. Il rifiuto dei comandi "non necessari", l'esecuzione di istruzioni in un ciclo, la presenza di registri di valore generale e il pipelining hanno permesso di aumentare rapidamente la frequenza di clock e la potenza dei processori senza distorcere il numero di transistor.

Ecco solo alcune delle architetture apparse tra il 1980 e il 1995:

• SPARC;
• BRACCIO;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

Si basavano sulla piattaforma RISC e, in alcuni casi, su un uso parziale e combinato della piattaforma CISC. Ma lo sviluppo della tecnologia ha spinto ancora una volta i produttori di chip a continuare a costruire processori.

Nell'agosto 1999, l'AMD K7 Athlon è entrato nel mercato, prodotto utilizzando una tecnologia di processo a 250 nm e includendo 22 milioni di transistor. Successivamente, l'asticella è stata portata a 38 milioni di processori. Poi fino a 250 milioni.

Il processore tecnologico è aumentato, la frequenza di clock è aumentata. Ma, come dice la fisica, c'è un limite a tutto.

7. La fine della competizione sui transistor è vicina

Nel 2007, Gordon Moore fece una dichiarazione molto schietta:

La legge di Moore cesserà presto di applicarsi. È impossibile installare un numero illimitato di processori a tempo indeterminato. La ragione di ciò è la natura atomica della materia.

È evidente ad occhio nudo che i due principali produttori di chip AMD e Intel hanno chiaramente rallentato il ritmo di sviluppo dei processori negli ultimi anni. La precisione del processo tecnologico è aumentata solo a pochi nanometri, ma è impossibile posizionare ancora più processori.

E mentre i produttori di semiconduttori minacciano di lanciare transistor multistrato, tracciando un parallelo con 3DN e memoria, 30 anni fa è apparso un serio concorrente nell'architettura walled x86.

8. Cosa attende i processori "normali".

La legge di Moore è stata invalidata dal 2016. Lo ha annunciato ufficialmente il più grande produttore di processori Intel. Raddoppiare la potenza di calcolo del 100% ogni due anni non è più possibile per i produttori di chip.

E ora i produttori di processori hanno diverse opzioni poco promettenti.

La prima opzione sono i computer quantistici. Ci sono già stati tentativi di costruire un computer che utilizza le particelle per rappresentare le informazioni. Esistono diversi dispositivi quantistici simili nel mondo, ma possono far fronte solo ad algoritmi di bassa complessità.

Inoltre, il lancio in serie di tali dispositivi nei prossimi decenni è fuori questione. Costoso, inefficiente e... lento!

Sì, i computer quantistici consumano molta meno energia rispetto alle loro controparti moderne, ma saranno anche più lenti fino a quando gli sviluppatori e i produttori di componenti non passeranno alla nuova tecnologia.

La seconda opzione: processori con strati di transistor. Sia Intel che AMD hanno pensato seriamente a questa tecnologia. Invece di uno strato di transistor, hanno in programma di usarne diversi. Sembra che nei prossimi anni potrebbero apparire processori in cui non solo il numero di core e la frequenza di clock saranno importanti, ma anche il numero di strati di transistor.

La soluzione ha diritto alla vita, e così i monopolisti potranno mungere il consumatore per un altro paio di decenni, ma, alla fine, la tecnologia toccherà di nuovo il soffitto.

Oggi, rendendosi conto del rapido sviluppo dell'architettura ARM, Intel ha fatto un silenzioso annuncio della famiglia di chip Ice Lake. I processori saranno prodotti a 10 nm processo tecnologico e diventerà la base per smartphone, tablet e dispositivi mobili. Ma accadrà nel 2019.

9. ARM è il futuro

Quindi, l'architettura x86 è apparsa nel 1978 e appartiene al tipo di piattaforma CISC. Quelli. di per sé, implica l'esistenza di istruzioni per tutte le occasioni. La versatilità è il principale punto di forza dell'x86.

Ma, allo stesso tempo, la versatilità ha giocato uno scherzo crudele con questi processori. x86 presenta diversi svantaggi chiave:

• la complessità dei comandi e la loro franca confusione;
• elevato consumo energetico e rilascio di calore.

Per le alte prestazioni, ho dovuto dire addio all'efficienza energetica. Inoltre, due società stanno attualmente lavorando sull'architettura x86, che può essere tranquillamente attribuita ai monopolisti. Questi sono Intel e AMD. Solo loro possono produrre processori x86, il che significa che solo loro governano lo sviluppo delle tecnologie.

Allo stesso tempo, diverse aziende sono coinvolte nello sviluppo di ARM (Arcon Risk Machine). Già nel 1985, gli sviluppatori hanno scelto la piattaforma RISC come base per l'ulteriore sviluppo dell'architettura.

A differenza di CISC, RISC implica la progettazione di un processore con il numero minimo di istruzioni richiesto, ma la massima ottimizzazione. I processori RISC sono molto più piccoli di CISC, più efficienti dal punto di vista energetico e più semplici.

Inoltre, ARM è stato originariamente creato esclusivamente come concorrente di x86. Gli sviluppatori hanno impostato il compito di creare un'architettura più efficiente di x86.

Fin dagli anni '40, gli ingegneri hanno capito che uno dei compiti prioritari è lavorare sulla riduzione delle dimensioni dei computer e, in primis, dei processori stessi. Ma quasi 80 anni fa, quasi nessuno avrebbe potuto immaginare che un computer a tutti gli effetti sarebbe stato più piccolo di una scatola di fiammiferi.

L'architettura ARM era una volta supportata da Apple, che ha lanciato la produzione di tablet Newton basati sulla famiglia ARM6 di processori ARM.

Le vendite di computer desktop stanno diminuendo rapidamente, mentre il numero di dispositivi mobili venduti ogni anno è già di miliardi. Spesso, oltre alle prestazioni, quando si sceglie gadget elettronico L'utente è interessato a molti altri criteri:

• mobilità;
• autonomia.

L'architettura x86 è forte in termini di prestazioni, ma se si rinuncia al raffreddamento attivo, il potente processore sembrerà patetico rispetto all'architettura ARM.

10. Perché ARM è il leader indiscusso

Difficilmente rimarrai sorpreso dal fatto che il tuo smartphone, che si tratti di un semplice Android o dell'ammiraglia di Apple del 2016, sia decine di volte più potente dei computer a tutti gli effetti della fine degli anni '90.

Ma quanto è più potente lo stesso iPhone?

Di per sé, confrontare due diverse architetture è una cosa molto difficile. Le misurazioni qui possono essere eseguite solo approssimativamente, ma puoi capire l'enorme vantaggio offerto dai processori per smartphone basati sull'architettura ARM.

Un assistente universale in questa materia è il test delle prestazioni di Geekbench artificiale. L'utilità è disponibile sia su computer fissi che su piattaforme Android e iOS.

I laptop di fascia media ed entry-level sono chiaramente in ritardo rispetto alle prestazioni dell'iPhone 7. Nel segmento superiore, le cose sono un po' più complicate, ma nel 2017 Apple rilascia l'iPhone X sul nuovo chip A11 Bionic.

Lì, l'architettura ARM ti è già familiare, ma le cifre in Geekbench sono quasi raddoppiate. I laptop di "livello superiore" si irrigidivano.

Ed è passato solo un anno.

Lo sviluppo di ARM è a passi da gigante. Mentre Intel e AMD mostrano un aumento delle prestazioni del 5-10% anno dopo anno, nello stesso periodo i produttori di smartphone riescono ad aumentare la potenza del processore da due a due volte e mezzo.

Per gli utenti scettici che navigano tra le prime righe di Geekbench, voglio solo ricordarti: nella tecnologia mobile, la dimensione è ciò che conta prima di tutto.

Posiziona sul tavolo una barretta di cioccolato con un potente processore a 18 core che "riduce a brandelli l'architettura ARM", quindi metti il ​​​​tuo iPhone accanto ad esso. Senti la differenza?

11. Invece di output

È impossibile coprire gli 80 anni di storia dello sviluppo dei computer in un unico materiale. Ma dopo aver letto questo articolo, sarai in grado di capire come è organizzato l'elemento principale di qualsiasi computer: il processore e cosa aspettarsi dal mercato nei prossimi anni.

Naturalmente Intel e AMD lavoreranno per aumentare ulteriormente il numero di transistor su un singolo chip e promuovere l'idea di elementi multistrato.

Ma tu, come cliente, hai bisogno di tale potere?

Non credo che tu sia insoddisfatto delle prestazioni di un iPad Pro o di un iPhone X di punta. Non credo che tu sia insoddisfatto delle prestazioni del tuo multicucina in cucina o della qualità dell'immagine di un 4K da 65 pollici TV. Ma tutti questi dispositivi utilizzano processori sull'architettura ARM.

Windows ha già annunciato ufficialmente che guarda con interesse ad ARM. L'azienda ha incluso il supporto per questa architettura in Windows 8.1 e ora sta lavorando attivamente in tandem con Qualcomm, il principale produttore di chip ARM.

Google è anche riuscito a guardare ARM - sistema operativo Chrome OS supporta questa architettura. Diversi apparvero contemporaneamente distribuzioni Linux, che sono anche compatibili con questa architettura. E questo è solo l'inizio.

E prova per un momento a immaginare quanto sarà piacevole combinare un processore ARM a risparmio energetico con una batteria al grafene. È questa architettura che consentirà di ottenere gadget ergonomici mobili in grado di dettare il futuro.

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sito web Ottimo articolo, versa il tuo tè.

Stai leggendo queste righe da uno smartphone, un tablet o un computer. Ognuno di questi dispositivi è basato su un microprocessore. Il microprocessore è il "cuore" di qualsiasi dispositivo informatico. Esistono molti tipi di microprocessori, ma svolgono tutti gli stessi compiti. Oggi parleremo di come funziona il processore e quali attività svolge. A prima vista, tutto questo sembra ovvio. Ma molti utenti sarebbero interessati ad approfondire la loro conoscenza del componente più importante che fa funzionare un computer. Impareremo come la tecnologia basata sulla semplice logica digitale consente al tuo computer non solo di risolvere problemi matematici, ma anche di essere un centro di intrattenimento. Come vengono convertiti solo due numeri - uno e zero - in giochi e film colorati? Molte persone si sono fatte questa domanda molte volte e saranno felici di ricevere una risposta ad essa. Dopotutto, anche nel cuore di noi di recente Processore AMD Jaguar, su cui si basano le ultime console di gioco, si basa sulla stessa antica logica.

Nella letteratura inglese, un microprocessore viene spesso chiamato CPU (unità di elaborazione centrale, [single] module). processore). La ragione di questo nome risiede nel fatto che un processore moderno è un singolo chip. Il primo microprocessore nella storia dell'umanità è stato creato da una società nel 1971.

Il ruolo di Intel nella storia dell'industria dei microprocessori

Stiamo parlando del modello Intel 4004. Non era potente e poteva solo eseguire addizioni e sottrazioni. Allo stesso tempo, poteva elaborare solo quattro bit di informazioni (ovvero erano a 4 bit). Ma per il suo tempo, il suo aspetto fu un evento significativo. Dopotutto, l'intero processore si adatta a un chip. Prima dell'avvento dell'Intel 4004, i computer erano basati su un intero set di chip o componenti discreti (transistor). Il microprocessore 4004 costituì la base di una delle prime calcolatrici portatili.

Il primo microprocessore per computer domestici è stato l'Intel 8080 introdotto nel 1974. Tutta la potenza di calcolo di un computer a 8 bit era racchiusa in un unico chip. Ma è stato davvero importante l'annuncio del processore Intel 8088. Apparve nel 1979 e dal 1981 iniziò ad essere utilizzato nella prima massa computer personale PC IBM.

Inoltre, i processori iniziarono a svilupparsi e ad acquisire potenza. Chiunque abbia almeno un po' di familiarità con la storia dell'industria dei microprocessori ricorda che l'8088 fu sostituito dall'80286. Poi venne il turno dell'80386, seguito dall'80486. Poi ci furono diverse generazioni di Pentium: Pentium, Pentium II, III e Pentium 4. Tutti questi processori "Intel" basati sul design di base dell'8088. Erano compatibili con le versioni precedenti. Ciò significa che il Pentium 4 potrebbe elaborare qualsiasi pezzo di codice per l'8088, ma lo ha fatto a una velocità circa cinquemila volte più veloce. Da allora non sono passati molti anni, ma sono cambiate molte altre generazioni di microprocessori.

Dal 2004 Intel offre processori multi-core. Il numero di transistor utilizzati in essi è aumentato di milioni. Ma anche ora, il processore obbedisce alle regole generali create per i primi chip. La tabella riflette la storia dei microprocessori Intel fino al 2004 incluso. Faremo alcuni chiarimenti su cosa significano gli indicatori in esso riflessi:

• Nome (Nome). Modello di processore
• Data (Data). L'anno in cui il processore è stato introdotto per la prima volta. Molti processori sono stati introdotti più volte, ogni volta che la loro velocità di clock è stata aumentata. Pertanto, la prossima modifica del chip potrebbe essere riannunciata anche diversi anni dopo la sua prima versione apparsa sul mercato.
• Transistori (Numero di transistor). Il numero di transistor in un chip. Puoi vedere che questa cifra è costantemente aumentata
• Micron (larghezza in micron). Un micron equivale a un milionesimo di metro. Il valore di questo indicatore è determinato dallo spessore del filo più sottile nel chip. Per confronto, lo spessore di un capello umano è di 100 micron.
• Velocità dell'orologio. Massima velocità del processore
• larghezza dei dati. "Bitness" dell'unità logica aritmetica del processore (ALU, ALU). Un ALU a 8 bit può aggiungere, sottrarre, moltiplicare ed eseguire altre operazioni su due numeri a 8 bit. Un ALU a 32 bit può funzionare con numeri a 32 bit. Per aggiungere due numeri a 32 bit, una ALU a otto bit deve eseguire quattro istruzioni. Un ALU a 32 bit può gestire questa attività in un'unica istruzione. In molti casi (ma non in tutti), la larghezza del bus dati esterno è la stessa del "bit" dell'ALU. Il processore 8088 aveva un ALU a 16 bit ma un bus a 8 bit. I Late Pentium erano caratterizzati da una situazione in cui il bus era già a 64 bit e l'ALU era ancora a 32 bit
• MIPS (milioni di istruzioni al secondo). Consente di valutare approssimativamente le prestazioni del processore. I moderni microprocessori svolgono così tanti compiti diversi che questo indicatore ha perso il suo significato originale e può essere utilizzato principalmente per confrontare la potenza di elaborazione di diversi processori (come in questa tabella)

Esiste una relazione diretta tra la velocità di clock, nonché il numero di transistor e il numero di operazioni eseguite dal processore in un secondo. Ad esempio, la velocità di clock del processore 8088 ha raggiunto i 5 MHz e le prestazioni: solo 0,33 milioni di operazioni al secondo. Cioè, l'esecuzione di un'istruzione richiedeva circa 15 cicli del processore. Nel 2004, i processori potevano già eseguire due istruzioni per ciclo di clock. Questo miglioramento è stato fornito aumentando il numero di processori nel chip.

Il chip viene anche definito circuito integrato (o semplicemente microchip). Molto spesso, questa è una piccola e sottile lastra di silicio in cui sono "impressi" i transistor. Un chip di due centimetri e mezzo di lato può contenere decine di milioni di transistor. I processori più semplici possono essere quadrati con un lato di pochi millimetri. E questa dimensione è sufficiente per diverse migliaia di transistor.

logica a microprocessore

Per capire come funziona un microprocessore, dovresti studiare la logica su cui si basa, oltre a familiarizzare con il linguaggio assembly. Questa è la lingua madre del microprocessore.

Il microprocessore è in grado di eseguire un insieme specifico di istruzioni macchina (comandi). Operando con queste istruzioni, il processore svolge tre compiti principali:

• Con l'aiuto della sua unità logica aritmetica, il processore esegue operazioni matematiche: addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione. I moderni microprocessori supportano completamente le operazioni in virgola mobile (utilizzando un processore aritmetico in virgola mobile dedicato)
• Il microprocessore è in grado di spostare i dati da un tipo di memoria all'altro
• Il microprocessore ha la capacità di prendere una decisione e, in base alla sua decisione, "saltare", cioè passare all'esecuzione di una nuova serie di istruzioni.

Il microprocessore contiene:

• Bus di indirizzi (bus di indirizzi). La larghezza di questo bus può essere 8, 16 o 32 bit. È impegnata a inviare l'indirizzo a memoria
• Bus dati (bus dati): larghezza 8, 16, 32 o 64 bit. Questo bus può inviare o ricevere dati dalla memoria. Quando si parla del "bit" del processore, si parla della larghezza del bus dati
• Canali RD (lettura, lettura) e WR (scrittura, scrittura), che consentono l'interazione con la memoria
• Linea di clock (bus di clock) che fornisce i cicli del processore
• Reset linea (cancellazione bus, reset bus), reset del valore del contatore del programma e riavvio dell'esecuzione delle istruzioni

Poiché le informazioni sono piuttosto complesse, assumeremo che la larghezza di entrambi i bus, sia di indirizzo che di dati, sia di soli 8 bit. E consideriamo brevemente i componenti di questo microprocessore relativamente semplice:

• I registri A, B e C sono circuiti logici utilizzati per la memorizzazione dei dati intermedi.
• Il blocco dell'indirizzo è simile ai registri A, B e C
• Il contatore di programma è un chip logico (latch) in grado di incrementare un valore di uno in un solo passaggio (se riceve il comando appropriato) e azzerarne il valore (previa ricezione del comando appropriato)
• ALU (unità logica aritmetica) può eseguire addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni e divisioni tra numeri a 8 bit o agire come un normale sommatore
• Il registro di prova è uno speciale latch che memorizza i risultati delle operazioni di confronto eseguite dall'ALU. Solitamente l'ALU confronta due numeri e determina se sono uguali o se uno di essi è maggiore dell'altro. Il registro di prova è anche in grado di memorizzare il bit di riporto dell'ultima azione del sommatore. Memorizza questi valori in uno schema di trigger. In futuro, questi valori possono essere utilizzati dal decoder dei comandi per prendere decisioni.
• I sei blocchi sul diagramma sono etichettati "3-State". Questi sono buffer di ordinamento. È possibile collegare più sorgenti di uscita al cavo, ma il buffer di ordinamento consente solo a una di esse (alla volta) di passare un valore: "0" o "1". Pertanto, il buffer di ordinamento può saltare i valori o impedire alla sorgente di output di trasmettere dati
• Il registro delle istruzioni e il decoder delle istruzioni tengono sotto controllo tutte le componenti di cui sopra.

Questo diagramma non mostra le linee di controllo del decoder di comando, che possono essere espresse come i seguenti "ordini":

• "Registro A accetta il valore attualmente proveniente dal bus dati"
• "Registra B per accettare il valore attualmente in arrivo dal bus dati"
• "Registra C per accettare il valore attualmente proveniente dall'unità logica aritmetica"
• "Il registro del contatore del programma per accettare il valore attualmente proveniente dal bus dati"
• "Registro indirizzi per accettare il valore attualmente proveniente dal bus dati"
• "Registro istruzioni per accettare il valore attualmente in arrivo dal bus dati"
• "Valore di aumento del contatore del programma [di uno]"
• "Reimposta il contatore dei comandi"
• "Attiva uno dei sei buffer di ordinamento" (sei linee di controllo separate)
• "Dire all'unità logica aritmetica quale operazione eseguire"
• "Registro di prova accetta bit di prova da ALU"
• "Attiva RD (leggi canale)"
• "Attiva WR (canale di registrazione)"

Il decodificatore di comando riceve bit di dati dal registro di test, dal canale di sincronizzazione e anche dal registro di comando. Se semplifichiamo il più possibile la descrizione dei compiti del decodificatore di istruzioni, allora possiamo dire che è questo modulo che "dice" al processore cosa deve essere fatto in questo momento.

memoria a microprocessore

La familiarità con la memoria del computer e la sua gerarchia ti aiuterà a comprendere meglio i contenuti di questa sezione.

Sopra, abbiamo scritto dei bus (indirizzo e dati), nonché dei canali di lettura (RD) e di scrittura (WR). Questi bus e canali sono collegati alla memoria: memoria operativa (RAM, RAM) e memoria di sola lettura (ROM, ROM). Nel nostro esempio, consideriamo un microprocessore la cui larghezza del bus è di 8 bit. Ciò significa che è in grado di indirizzare 256 byte (da due all'ottavo). Ad un certo punto, può leggere o scrivere in memoria 8 bit di dati. Supponiamo che questo semplice microprocessore abbia 128 byte di ROM (a partire dall'indirizzo 0) o 128 byte memoria ad accesso casuale(a partire dall'indirizzo 128).

Il modulo di memoria persistente contiene un determinato set di byte persistente preinstallato. Il bus indirizzi richiede alla ROM un byte specifico da inviare al bus dati. Quando il canale di lettura (RD) cambia stato, il modulo ROM fornisce il byte richiesto al bus dati. Cioè, in questo caso, è possibile solo leggere i dati.

Dalla RAM, il processore non solo può leggere informazioni, ma può anche scrivervi dati. A seconda che venga eseguita la lettura o la scrittura, il segnale arriva o attraverso il canale di lettura (RD) o attraverso il canale di scrittura (WR). Sfortunatamente, la RAM è volatile. Quando l'alimentazione viene spenta, perde tutti i dati in essa inseriti. Per questo motivo, un computer necessita di un dispositivo di memoria di sola lettura non volatile.

Inoltre, in teoria, un computer può fare a meno della RAM. Molti microcontrollori consentono di posizionare i byte di dati necessari direttamente sul chip del processore. Ma è impossibile fare a meno della ROM. Nei personal computer, la ROM è chiamata sistema di input e output di base (BSVV, BIOS, Basic Input / Output System). Il microprocessore inizia il suo lavoro all'avvio eseguendo i comandi da esso trovati nel BIOS.

I comandi del BIOS eseguono un test sull'hardware del computer, quindi accedono al disco rigido e selezionano il settore di avvio. Questo settore di avvio è un piccolo programma separato che il BIOS legge prima dal disco e quindi inserisce nella RAM. Successivamente, il microprocessore inizia a eseguire i comandi che si trovano nella RAM settore di avvio. Il programma del settore di avvio dice al microprocessore da quali dati (destinati alla successiva esecuzione da parte del processore) dovrebbero essere ulteriormente spostati disco rigido nella memoria di lavoro. Ecco come il processore carica il sistema operativo.

istruzioni del microprocessore

Anche il microprocessore più semplice è in grado di elaborare un insieme abbastanza ampio di istruzioni. Il set di istruzioni è una specie di modello. Ognuna di queste istruzioni caricate nel registro delle istruzioni ha il suo significato. Non è facile per le persone ricordare la sequenza di bit, quindi ogni istruzione è descritta come una parola breve, ognuna delle quali rappresenta un comando specifico. Queste parole costituiscono il linguaggio assembly del processore. L'assemblatore traduce queste parole in un linguaggio binario che il processore comprende.

Ecco un elenco di parole di comando in linguaggio assembly per un processore semplice condizionale, che consideriamo come esempio per la nostra storia:

• LOADA mem — Carica il registro A da un indirizzo di memoria
• LOADB mem — Carica il registro B da un indirizzo di memoria
• CONB con - Carica il valore costante nel registro B
• SAVEB mem - Salva (salva) il valore del registro B in memoria ad un indirizzo specifico
• SAVEC mem - Salva (salva) il valore del registro C in memoria ad un indirizzo specifico
• AGGIUNGI - Aggiungi (aggiungi) i valori dei registri A e B. Memorizza il risultato dell'azione nel registro C
• SUB - Sottrai (sottrai) il valore del registro B dal valore del registro A. Memorizza il risultato dell'azione nel registro C
• MUL - Moltiplica (moltiplica) i valori ​​dei registri A e B. Memorizza il risultato dell'azione nel registro C
• DIV - Dividere (dividere) il valore del registro A per il valore del registro B. Memorizzare il risultato dell'azione nel registro C
• COM - Confronta (confronta) i valori dei registri A e B. Trasferisci il risultato nel registro del test
• JUMP addr - Salta all'indirizzo specificato
• JEQ addr - Se è soddisfatta la condizione di valori uguali di due registri, salta (salta) all'indirizzo specificato
• JNEQ addr - Se la condizione per valori uguali di due registri non è soddisfatta, salta (salta) all'indirizzo specificato
• JG addr - Se il valore è maggiore, salta all'indirizzo specificato
• JGE addr - Se il valore è maggiore o uguale a, salta all'indirizzo specificato
• JL addr - Se il valore è minore di, salta all'indirizzo specificato
• JLE addr - Se il valore è minore o uguale a, salta all'indirizzo specificato
• STOP - Arresta (arresto) l'esecuzione

Le parole inglesi che denotano le azioni eseguite sono fornite tra parentesi per un motivo. Quindi possiamo vedere che il linguaggio assembly (come molti altri linguaggi di programmazione) si basa sull'inglese, cioè sui soliti mezzi di comunicazione per coloro che hanno creato le tecnologie digitali.

Il lavoro del microprocessore sull'esempio del calcolo fattoriale

Considera il funzionamento del microprocessore su un esempio specifico della sua esecuzione di un semplice programma che calcola il fattoriale del numero "5". Per prima cosa, risolviamo questo problema "in un quaderno":

fattoriale di 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

Nel linguaggio di programmazione C, questo pezzo di codice che esegue questo calcolo sarebbe simile a questo:

A=1;f=1;mentre (a

Al termine di questo programma, la variabile f conterrà il valore del fattoriale di cinque.

Il compilatore C traduce (ovvero traduce) questo codice in un set di istruzioni in linguaggio assembly. Nel processore che stiamo considerando, la RAM inizia all'indirizzo 128 e la memoria di sola lettura (che contiene il linguaggio assembly) inizia all'indirizzo 0. Pertanto, nel linguaggio di questo processore, questo programma sarà simile al seguente:

// Assume a all'indirizzo 128 // Assume F all'indirizzo 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // se a > 5 si passa a 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // torna a if17 STOP

Ora sorge la prossima domanda: che aspetto hanno tutti questi comandi nella memoria permanente? Ognuna di queste istruzioni deve essere rappresentata come un numero binario. Per semplificare la comprensione del materiale, supponiamo che ciascuna delle istruzioni in linguaggio assembly del processore che stiamo considerando abbia un numero univoco:

• CARICO-1
• CARICO-2
• CONB-3
• SALVAB-4
• SAVEC mem - 5
• AGGIUNGI-6
• SUB-7
• MUL-8
• div-9
• COM-10
• SALTO ind. - 11
• Ind. JEQ - 12
• Indirizzo JNEQ - 13
• Indirizzo JG - 14
• Indirizzo JGE - 15
• Indirizzo JL - 16
• Indirizzo JLE - 17
• STOP-18

// Assume a all'indirizzo 128 // Assume F all'indirizzo 129Addr machine instruction/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 / / CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // SALTA 430 831 18 // STOP

Come puoi vedere, sette righe di codice C sono state convertite in 18 righe di linguaggio assembly. Hanno preso 32 byte in ROM.

Decodifica

La conversazione sulla decodifica dovrà iniziare con una considerazione di questioni filologiche. Purtroppo, non tutti i termini informatici hanno corrispondenze inequivocabili in russo. La traduzione della terminologia spesso procedeva spontaneamente, e quindi lo stesso termine inglese può essere tradotto in russo in diversi modi. E così è successo con il componente più importante della logica del microprocessore "decodificatore di istruzioni". Gli esperti di computer lo chiamano sia un decodificatore di istruzioni che un decodificatore di istruzioni. Nessuna di queste varianti del nome può essere definita più o meno "corretta" dell'altra.

Il decodificatore di istruzioni è necessario per tradurre ogni codice macchina in un insieme di segnali che azionano vari componenti del microprocessore. Se semplifichiamo l'essenza delle sue azioni, allora possiamo dire che è lui che coordina il "software" e "l'hardware".

Considera il funzionamento del decodificatore di comando usando l'esempio dell'istruzione ADD che esegue l'azione di addizione:

• Durante il primo ciclo frequenza di clock Il processore sta caricando l'istruzione. A questo punto il decodificatore di istruzioni deve: attivare il buffer di ordinamento per il contatore di istruzioni; attivare il canale di lettura (RD); attivare il latch del buffer di ordinamento per passare l'input al registro delle istruzioni
• Durante il secondo ciclo di clock del processore, l'istruzione ADD viene decodificata. A questo punto l'ALU esegue l'addizione e trasferisce il valore nel registro C
• Durante il terzo ciclo della frequenza di clock del processore, il program counter aumenta il proprio valore di uno (teoricamente, questa azione si sovrappone a quanto accaduto durante il secondo ciclo)

Ciascuna istruzione può essere rappresentata come un insieme di operazioni eseguite in sequenza che manipolano i componenti del microprocessore in un certo ordine. Cioè, le istruzioni del programma portano a modifiche completamente fisiche: ad esempio, cambiando la posizione del fermo. Alcune istruzioni potrebbero richiedere due o tre cicli di clock del processore per essere completati. Altri potrebbero anche aver bisogno di cinque o sei cicli.

I microprocessori: prestazioni e tendenze

Il numero di transistor in un processore è un fattore importante che ne influenza le prestazioni. Come mostrato in precedenza, il processore 8088 richiedeva 15 cicli di clock per eseguire un'istruzione. E per eseguire un'operazione a 16 bit, sono stati necessari circa 80 cicli. Ecco come è stato organizzato il moltiplicatore ALU di questo processore. Più transistor e più potente è il moltiplicatore ALU, più il processore riesce a fare in un ciclo.

Molti transistor supportano la tecnologia di pipeline. Nell'ambito dell'architettura della pipeline, vi è un'imposizione parziale di istruzioni eseguibili l'una sull'altra. Un'istruzione può richiedere gli stessi cinque cicli per essere eseguita, ma se cinque istruzioni vengono elaborate contemporaneamente dal processore (in diverse fasi di completamento), in media un'istruzione richiederà un ciclo di clock del processore per essere eseguita.

In molti processori moderni, c'è più di un decodificatore di istruzioni. E ognuno di essi supporta la conduttura. Ciò consente di eseguire più di un'istruzione per ciclo del processore. Per implementare questa tecnologia è necessario un numero incredibile di transistor.

Processori a 64 bit

Sebbene i processori a 64 bit si siano diffusi solo pochi anni fa, esistono da un tempo relativamente lungo: dal 1992. Sia Intel che AMD attualmente offrono tali processori. Un processore a 64 bit è uno che ha un'unità logica aritmetica (ALU) a 64 bit, registri a 64 bit e bus a 64 bit.

Il motivo principale per cui i processori necessitano di 64 bit è che questa architettura espande lo spazio degli indirizzi. I processori a 32 bit possono accedere solo a due o quattro gigabyte di RAM. Una volta queste cifre sembravano gigantesche, ma sono passati anni e oggi non sorprenderai nessuno con un tale ricordo. Alcuni anni fa, la memoria di un computer tipico era di 256 o 512 megabyte. All'epoca, il limite di 4 GB era solo un problema per server e macchine che eseguivano database di grandi dimensioni.

Ma molto rapidamente si è scoperto che anche gli utenti ordinari a volte non hanno abbastanza di due o addirittura quattro gigabyte di RAM. Questa fastidiosa limitazione non si applica ai processori a 64 bit. Lo spazio di indirizzi a loro disposizione sembra infinito in questi giorni: da due a sessantaquattresimo byte, cioè qualcosa come un miliardo di gigabyte. Nel prossimo futuro non è prevista una RAM così gigantesca.

Il bus di indirizzi a 64 bit, così come i bus dati ampi e ad alta velocità delle schede madri corrispondenti, consentono ai computer a 64 bit di aumentare la velocità dei dati di input e output quando interagiscono con dispositivi come disco fisso e scheda video. Queste nuove funzionalità aumentano notevolmente le prestazioni dei computer moderni.

Ma non tutti gli utenti percepiranno i vantaggi dell'architettura a 64 bit. È necessario, prima di tutto, per coloro che modificano video e foto e lavorano anche con varie immagini di grandi dimensioni. I computer a 64 bit sono apprezzati dagli intenditori di giochi per computer. Ma quegli utenti che, usando un computer, comunicano semplicemente dentro nei social network e vagano per il web e modificano file di testo, molto probabilmente semplicemente non sentiranno alcun vantaggio di questi processori.

Proveniente da computer.howstuffworks.com

Ora ci sono molte informazioni su Internet sull'argomento dei processori, puoi trovare un sacco di articoli su come funziona, dove vengono principalmente menzionati registri, cicli, interruzioni, ecc. ... Ma per una persona che è non ha familiarità con tutti questi termini e concetti, è abbastanza difficile come questa mosca" approfondire la comprensione del processo, ma è necessario iniziare in piccolo, ovvero con una comprensione elementare come è organizzato il processore e in quali parti principali è composto.

Quindi, cosa ci sarà all'interno del microprocessore se viene smontato:

il numero 1 indica la superficie metallica (coperchio) del microprocessore, che serve a rimuovere il calore e proteggere dai danni meccanici ciò che si trova dietro questa copertura (cioè all'interno del processore stesso).

Al numero 2 - c'è il cristallo stesso, che in effetti è la parte più importante e costosa del microprocessore da produrre. È grazie a questo cristallo che avvengono tutti i calcoli (e questa è la funzione più importante del processore) e più è complesso, più è perfetto, più potente è il processore e più costoso è rispettivamente . Il cristallo è fatto di silicio. In effetti, il processo di fabbricazione è molto complesso e contiene decine di passaggi, maggiori dettagli in questo video:

Il numero 3 è uno speciale substrato di textolite a cui sono attaccate tutte le altre parti del processore, inoltre svolge il ruolo di un pad di contatto - sul retro c'è un gran numero di i "punti" dorati sono contatti (sono leggermente visibili nella figura). Grazie al tampone di contatto (substrato) è assicurata una stretta interazione con il cristallo, poiché non è possibile in alcun modo influenzare direttamente il cristallo.

Il coperchio (1) è fissato al supporto (3) con un sigillante adesivo resistente alle alte temperature. Non c'è spazio d'aria tra il cristallo (2) e il coperchio, il suo posto è preso dalla pasta termica, quando si indurisce forma un "ponte" tra il die del processore e il coperchio, che garantisce un'ottima dispersione del calore.

Il cristallo è collegato al substrato mediante saldatura e sigillante, i contatti del substrato sono collegati ai contatti del cristallo. Questa figura mostra chiaramente come i contatti del cristallo siano collegati ai contatti del substrato utilizzando fili molto sottili (nella foto ingrandimento 170x):

In generale, il design di processori di produttori diversi e persino modelli dello stesso produttore può variare notevolmente. Tuttavia schema elettrico il lavoro rimane lo stesso: hanno tutti un substrato di contatto, un cristallo (o più situati in un unico pacchetto) e una copertura metallica per la dissipazione del calore.

Ad esempio, il contact pad del processore Intel Pentium 4 si presenta così (il processore è capovolto):

La forma dei pin e la struttura della loro disposizione dipende dal processore e scheda madre computer (le prese devono corrispondere). Ad esempio, nella figura appena sopra, i contatti del processore non hanno "pin", poiché i pin si trovano direttamente nel socket della scheda madre.

E c'è un'altra situazione in cui i "pin" dei contatti sporgono direttamente dal substrato di contatto. Questa caratteristica è tipica principalmente per i processori AMD:

Come accennato in precedenza, il dispositivo di diversi modelli di processori dello stesso produttore può variare, ne abbiamo un vivido esempio: un processore Intel Core 2 Quad quad-core, che è essenzialmente 2 processori dual-core della linea core 2 duo , combinati in un unico pacchetto:

Importante! Il numero di die all'interno di un processore e il numero di core del processore non sono la stessa cosa.

Nei moderni modelli di processori Intel, 2 cristalli (chip) si adattano contemporaneamente. Il secondo chip è il core grafico del processore, che di fatto svolge il ruolo di una scheda video incorporata nel processore, ovvero, anche se manca il sistema, il core grafico assumerà il ruolo di una scheda video, e abbastanza potente (in alcuni modelli di processore, la potenza di calcolo dei core grafici consente di giocare a giochi moderni con impostazioni grafiche medie).

È tutto unità centrale a microprocessore insomma, ovviamente.