Типы процессоров, их характеристики и принцип действия

Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд, скоростью выполнения команд, размерами обрабатываемых слов и объемом адресуемой памяти.

В процессе многолетнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров:

• ? универсальные микропроцессоры с CISC (Complex Instruction Set Computer) — архитектурой;
• ? универсальные микропроцессоры с RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer) — архитектурой;
• ? специализированные микропроцессоры (сигнальные);
• ? микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров.

Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах. Ведущими производителями считаются фирмы Sun Microsystems и MIPS Computer Systems.

В последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC — совместная разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. В мобильных устройствах широко используются ARM (Advanced RISC Machine) — процессоры.

Еще одно преимущество технологии RISC заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости персональных компьютеров типа IBM PC и Macintosh фирмы Apple.

Среди процессоров также различают процессоры-клоны — это процессор, выпускаемый не фирмой-разработчиком, в том числе и по лицензии или без нее.

Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium II, Pentium III и другие, 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, компания Multiclet разрабатывает и производит на сторонних мощностях микропроцессоры по запатентованой ею мультиклеточной технологии. В 2012 году компанией был представлен универсальный микропроцессор, ориентированный на задачи управления и цифровой обработки сигналов, пиковая производительность которого составила 32 бита.

Пользовательские характеристики процессоров отражают его производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость.

К основным характеристикам современных процессоров относятся:

1. Тактовая частота процессора.

Этот показатель, по которому определяется количество тактов (операций) которое может сделать процессор за секунду времени. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту (быстродействие) — чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

2. Количество ядер

Большинство современных компьютерных процессоров имеет по два или более ядра, исключение могут составить только самые бюджетные модели. Однако, в некоторых приложениях повышение производительности действительно может быть обусловлено количеством ядер, но в других приложениях многоядерный процессор может уступить своему предшественнику с меньшим количеством ядер.

3 Объем кэш-памяти.

Для того чтобы повысить скорость обмена данными с оперативной памятью компьютера, на производимые процессоры устанавливают дополнительные блоки памяти с высокой скоростью.

Некоторые приложения при большом объеме кэш-памяти дают заметный прирост производительности, в других наоборот наблюдается снижение производительности из-за программного кода.

4 Ядро Ядро является основой любого процессора, от которой и отталкиваются другие характеристики. Можно встретить два процессора с похожими на первый взгляд техническими характеристиками (количество ядер, тактовая частота), но с разной архитектурой и они будут показывать в тестах производительности и программных приложениях абсолютно разные результаты.

По традиции, процессоры, созданные на базе новых ядер, намного лучше оптимизированы для работы с различными программами и поэтому демонстрируют лучшую производительность по сравнению с моделями, созданными на основе устаревших технологий (даже если тактовые частоты совпадают).

Процессоры с высокой производительностью предназначены для обеспечения высоких показателей скорости и мощности работы персонального компьютера. Этот вид процессоров применяется в игровых моделях, переносных компьютерах для работы с мультимедиа (например, рендеринг в графических редакторах), при сложных вычислениях.

Процессоры эконом-класса (бюджетные модели) не обладают высокой производительностью, экономичностью, но имеет сравнительно низкую цену. Эти устройства обеспечивают работу базовых программ (офисных пакетов, мультимедиа и т. д.). К этой категории относятся процессоры Celeron Dual Core, Pentium, Turion Neo X2 и т. д.

Процессоры с низкой производительностью обладают самыми низкими показателями скорости и мощности работы и энергопотребления. Устанавливаются в недорогие, легкие и компактные модели ноутбуков или нетбуков. Поддерживают работу в интернете, просмотр видео среднего качества, базовое офисное обеспечение и другие операции, не требующие высокой производительности. Этот класс процессоров представлен моделями Atom, Celeron ULV, Athlon X2 L и т. д.

Одноядерные процессоры до недавнего времени были единственным типом процессора, который мог использоваться в домашних компьютерах. Одноядерный процессор мог выполнять только одну операцию одновременно, поэтому он не мог эффективно работать в средах, где требовалась многозадачность. Это означало, что при запуске более чем одного приложения снижалась производительность системы. [5. C. 107].

В отличие от одноядерных систем, которые для решения другой задачи должен был переключаться на нее, двуядерные могут работать в режиме многозадачности намного более эффективно.

Результатом продолжающегося совершенствования дизайна и характеристик многоядерных процессоров являются четырехядерные процессоры, позволяющие разделить задачи между своими ядрами и еще больше увеличить многозадачность.

На сегодняшний день для работы с двухъядерными процессорами оптимизировано в основном только профессиональное программное обеспечение (включая работу c графикой, аудиои видео данными), тогда как для офисного или домашнего пользователя достаточно одноядерного процессора.

Однако, рынок полупроводников неуклонно движется в сторону мультиядерных систем и оптимизированных параллельных вычислений. Такая тенденция будет господствующей в ближайшие годы, поэтому доля программного обеспечения, оптимизированного под несколько ядер, будет неуклонно возрастать, и очень скоро может наступить момент, когда мультиядерность станет насущной необходимостью.