Kompiuterių procesoriai

Turinys
Įvadas 3
Procesorius 3
Pagrindinio procesoriaus sandara ir veikimas 3
Pagrindinio procesoriaus svarbiausi įtaisai, jų tarpusavio ryšiai ir veikimas 5
Procesorių veikimo spartinimo būdai 8
Nešiojamų kompiuterių (Notebook) procesorių ypatybės 9
INTEL PROCESORIAI 10
Pentium 10
Pentium Pro 10
Pentium MMX 11
Pentium II ir Pentium III 11
Pentium IV 11
Celeron 12
Firmų AMD ir Via procesoriai 12
AMD procesoriai 12
VIA procesoriai 13
Literatūra 13Įvadas
Šiame darbe susipažystame su vienu iš pagrindinių kompiuterio sandaros dalių – kompiuterio pagrindiniu procesoriumi. Taip pat susipažinsime su jų veikimo būdais bei tipais. Išsiaiškinsime jų sandarą ir galimybes. Taip pat aprašysime kompiuterio pagrindinio procesoriaus sukūrimo istoriją ir tobulėjimą. Visa tai paaiškinsime teoriškai ir pavaizduosime schematiškai.Procesorius
Praktiškai visą kompiuterio elektroninę daalį sudaro mikroschemos, todėl jo pagrindinis procesorius šnekamojoje kalboje yra vadinamas tiesiog procesoriumi (mikroprocesoriumi). Šiuolaikiniame kompiuteryje yra ne vienas procesorius, todėl, kad jų nepainiotume, pagrindinį procesorių ir toliau vadinsime pagrindiniu.
Vystantis mikroelektronikai, ieškant labai efektyvių skaitmeninių įrenginių integrinių schemų pagrindu, 1971 m. firmoje INTEL (JAV) buvo sukurtas mikroprocesorius (chip) 4004 tipo. Mikroprocesoriu (MP) – tai superdidžioji integrinė schema, turinti viename kristale (5x5x0,2 mm) keliasdešimt tūkstančių tranzistorių, vykdanti svarbiausio kompiuterio mazgo – centrinio procesoriaus funkcijas. Tai informacijos įvedimo – išvedimo valdymas, jos apdorojimas loginių – aritmetinių operacijų pagalba, koompiuterio įvairių mazgų darbo sinchronizacija, poveikis į periferinius įrenginius ir t.t. Tai kompiuterio “smegenys”.Pagrindinio procesoriaus sandara ir veikimas
Pagrindinis procesorius yra viena sudėtingiausių kompiuterio mikroschemų. Jis vykdo programą ir atlieka visas programoje nurodytas matematines bei logines operacijas, jam perduodama vykdyti vis daugiau fu

unkcijų.
Nesužadinta programa yra saugoma kokiame nors kompiuterio kaupiklyje (pvz., diskiniame kaupiklyje). Programą sužadinus, ji visa arba jos dalis yra įrašoma į kompiuterio operatyviąją atmintį (RAM).
Programą sudaro instrukcijų seka. Instrukcija susideda iš komandos (operacijos, kurią turės vykdyti pagrindinis procesorius, kodo) ir duomenų, kurių reikės operacijai atlikti, arba adresų, nurodančių, kur RAM rasti operacijai atlikti reikalingus duomenis. Vykdydamas programą, pagrindinis procesorius ima iš RAM instrukcijas bei duomenis, atlieka instrukcijose nurodytas operacijas ir įrašo į RAM gautus rezultatus. Programa ir rezultatai kompiuteryje yra išreikšti dvejetainiais skaičiais. Informacija kompiuteryje yra perduodama magistralėmis (Bus).

Visuose pagrindiniuose procesoriuose (1 pav.) yra tokie įtaisai:
• Aritmetinis loginis įtaisas. Jo angliška santrumpa ALU (Aritmetic Logic Unity). Jis atlieka aritmetines (pvz., sudėties, atimties, daugybos) ir logines (pvz., loginės daugybos) operacijas.
• Magistralės: adresų – kompiuterio atminties (RRAM) ląstelių, iš kurių reikia paimti komandas arba duomenis ir kuriose išsaugoti rezultatus, adresams perduoti; duomenų – duomenims iš atminties arba rezultatams į atmintį perduoti; valdymo – valdymo signalams perduoti.
• Spartinančioji instrukcijų atmintis – procesoriaus programai iš kompiuterio atminties (RAM) sparčiau paimti.
• Spartinančioji duomenų atmintis – duomenims nuo instrukcijų atskirti.
• Pirminio instrukcijų ir duomenų apdorojimo įtaisas – instrukcijoms bei duomenims sutvarkyti ir perduoti į instrukcijų iškodavimo įtaisą.
• Instrukcijų iškodavimo įtaisas – iš instrukcijų išskiria komandas ir duomenis. Iškoduotas komandas perduoda valdymo įtaisui. Apdorojimui skirtus duomenis siunčia į aritmetinį loginį įtaisą, o kitus – saugojimui į

spartinančiąją duomenų atmintį.
• Valdymo įtaisas, vykdydamas iškoduotą instrukcijos komandą, valdo procesoriaus aritmetinį loginį įtaisą ir registrus.
• Registrai – kelių baitų talpos atmintys. Juose saugomi į procesorių įvesti duomenys (pvz., adresai, kur atmintyje ieškoti duomenų ar programos komandų; duomenys, su kuriais reikės atlikti veiksmus), tarpiniai rezultatai. Yra registrai tam tikroms operacijoms atlikti (pvz., skaičiui perstumti per vieną skiltį 00110100 – 00011010).
Norėdami geriau įsivazduoti procesoriaus veikimą, pažiūrėkime, kai jis sudeda du skaičius (1+2)Pagrindinio procesoriaus svarbiausi įtaisai, jų tarpusavio ryšiai ir veikimas
Paspaudus klavišą 1, procesoriui yra siunčiama instrukcija A = 1. Pirminio instrukcijų ir duomenų apdorojimo įtaisas tikrina, ar spartinančioje instrukcijų atmintyje yra reikalinga instrukcija. Jeigu jos nėra, instrukciją A = 1 parsisiunčia iš kompiuterio RAM ir įrašo ją į spartinančiąją instrukcijų atmintį.

Provcesoriaus pirminio instrukcijų ir duomenų apdorojimo įtaisas perduoda spartinančioje instrukcijų atmintyje saugomos instrukcijos kopiją instrukcijų iškodavimo įtaisui, kuris ją iškoduoja. Iškoduota komanda yra perduodama valdymo įtaisui, kuris atitinkamai valdo procesorių ir įrašo duomenis (1) į spartinančiąją duomenų atmintį adresu A.

Paspaudus klavišą 2, procesas kartojasi ir skaičius 2 yra išsaugomas spartinančiojoje duomenų atmintyje adresu B.

Paspaudus klavišą +, procesas kartojasi, tačiau šį kartą valdymo įtaisas praneša aritmetiniam loginiam įtaisui, kad reikia sudėti skaičius, esančius atminties ląstelėse, kurių adresai yra A ir B. Aritmetinis loginis įtaisas paima duomenis iš nurodytų ląstelių , juos susumuoja ir įrašo rezultatą adresu C. Paspaudus klavišą =, yra iškviečiama in

nstrukcija rezultatui ekrane parodyti. Procesas kartojasi ir baigiasi tuo, kad ekrane matome sumą 3.
Iš pavyzdžio matyti, kad įvykdęs vieną programos instrukciją, pagrindinis procesorius paima tolesnę programos instrukciją ir ją vykdo. Taip jis vykdo visas programos instrukcijas.
Visi pagrindinio procesoriaus įtaisai tarpusavyje yra sujungti vidinėmis duomenų ir adresų bei valdymo signalų magistralėmis. Duomenų magistrale abiem kryptimis cirkuliuoja duomenys ir adresai, o adresų magistrale – tik adresai iš procesoriaus į jo išorę. Valdymo signalai iš valdymo įtaiso siunčiami į visus procesoriaus įtaisus, į procesoriaus išorę bei priimami iš išorės. Procesoriuje yra ir daugiau įtaisų, jo veikimui paspartinti.

Pagrindinis procesorius su išoriniais įtaisais (pvz., RAM, grafine ir garso plokštėmis) yra sujungtas išorinėmis magistralėmis, kuriomis yra perduodami adresai, duomenys ir valdymo signalai.

Pagrindinio procesoriaus darbo sparta priklauso nuo jo darbo dažnio ir sandaros, todėl apie procesoriaus efektyvumą galima spręsti tik išbandžius jį su darbinėmis programomis.Procesorių veikimo spartinimo būdai
Procesorių darbo sparta yra didinama, didinant jų darbo dažnį, taip pat tobulinant jų sandarą, paltinant duomenų magistralę ir tobulinant duomenų apdorojimo metodus.

Pirmųjų procesorių darbo dažnis buvo šimtai KHz (1 KHz = 1000Hz), o šiuolaikinių- jau peržengė 1 GHz ribą (1GHz = 1000000 KHz). Jų aritmetinis loginis įtaisas galėjo atlikti veiksmus tik su sveikaisiais skaičiais (FPU – Floating Processing Unity) atlikti. Jų duomenų magistralės plotis yra 64 bitai. Kuo platesnė magistralė, tuo da
augiau duomenų per tą patį laiką galima perduoti. Taip pat didesnė vidinių spartinančiųjų atminčių talpa.
Šiuolaikiniai procesoriai informaciją apdoroja konvejeriniu (Pipelines) būdu. Taip apdorojant informaciją, ilgai trunkanti operacija suskaidoma į etapus, ir jie nuosekliai sujungtuose įtaisuose vykdomi vienas paskui kitą. Pavyzdžiui, jeigu kiekviena programos instrukcija yra suskaidoma į penkis maždaug per vienodą laiką įvykdomus etapus, vienos operacijos vykdymo trukmė nesumažėja, bet vykdant viena paskui kitą daug operacijų, jos įvykdomos maždaug 5 kartus sparčiau (pavyzdis apačioje)))

Šiuolaikiniai procesoriai operacijas suskaido į daugiau etapų, turi talpius registrus kelioms programos instrukcijoms iš atminties iš anksto įrašyti, todėl jas gali vykdyti negaišdami laiko jų paieškai kompiuterio atmintyje. Kadangi programos kai kada šakojasi, procesoriuose yra specialus prognozavimo įtaisas (BTB – Branch Target Buffer), nusprendžiantis, kurios programos šakos instrukcijas įrašyti į registrus, nes, apsirikus, tenka gaišti laiką, jau įrašytoms instrukcijoms pakeisti kitos šakos instrukcijomis. Procesoriaus darbas paspartėja, ypač kai vykdomos pasikartojančios operacijos, nes nereikia laukti, kol iš RAM ateis informacija, kokią operaciją vykdyti.Nešiojamų kompiuterių (Notebook) procesorių ypatybės
Nešiojamuosiuose kompiuteriuose yra daug mažiau erdvės negu kabinetiniuose kompiuteriuose, todėl jiems skirti procesoriai turi mažiau kaisti. Nešiojamųjų kompiuterių akumuliatoriuose sukauptas energijos kiekis yra ribotas, todėl jiems skirti procesoriai turi naudoti mažiau energijos už kabinetiniams kompiuteriams skirtus procesorius. Sunaudojama energijam, o tuo pačiu ir procesoriaus išskiriama šiluma mažinama, mažinant procesoriaus maitinimo įtampas ir darbo dažnį. Dažnai, atjungus kompiuterį nuo tinklo, procesorius automatiškai sumažina darbo dažnį. Gaminami procesoriai, kurie maksimaliu dažniu dirba tik vykdydami užduotį. Pauzių metu jie patys sumažina dažnį. Patartina rinktis tą nešiojamą kompiuterį, kuriame yra specialus nešiojamiesiems kompiuteriams skirtas, o ne įprastinis procesorius.INTEL PROCESORIAI
Firma Intel yra stambiausia pagrindinių procesorių personaliniams kompiuteriams gamintojas.Pentium
Pentium, skirtingai nuo iki tol gamintų procesorių, turėjo: 64, o ne 32 bitų išorinę duomenų magistralę; pirminę spartinančiąją atmintį, suskaidytą į dvi dalis po 8 KB – viena duomenims, kitą instrukcijoms; įtaisą dviem instrukcijoms tuo pačiu metu apdoroti (superscalar technology); daug greitesnį matematinį procesorių ir būsimų operacijų prognozavimo įtaisą.
Platesnė išorinė duomenų magistralė paspartino duomenų perdavimą i RAM ir atgal į procesorių, o atskiros spartinančiosios atmintys instrukcijoms ir duomenims leido tuo pačiu metu imti ir duomenis, ir naujas instrukcijas. Tai ypač svarbu, nes visų Pentium vidinis taktinių impulsų dažnis yra didesnis už išorinį dažnį (pvz., 200 MHz Pentium išorinis dažnis yra 66 MHz).Pentium Pro
Procesoriaus Pentium Pro mirkroschemoje buvo įrengta antrinė, buvusi išorinė, 256, 512 arba 1024 KB spartinančioji atmintis. Ji veikia sparčiau, nes dirba vidinniu procesoriaus dažniu, kuris yra gerokai didesnis už išorinį (66 MHz).
Pentium Pro, skirtingai negu Pentium, sudėtines operacijas suskaido į mikrooperacijas ir jas vykdo bet kokia tvarka, jeigu tik yra reikalingi duomenys. Tai leidžia procesorių apkrauti darbui ir tada, kai dėl kokių nors priežasčių reikia laukti naujos informacijos.
Pentium Pro buvo patobulintas prognozavimo įtaisas, kuris tiksliau nuspėjo veiksmų seką, ir gerokai paspartintas veiksmų su slankiuoju kabeliu įtaisas.
Į procesoriaus mikroschemą įkelta antrinė spartinančioji atmintis procesorių labai pabrangino, todėl firma Intel nutraukė jų gamybą ir vietoje Pentium Pro pradėjo gaminti didesniu dažniu veikiančius pigesnius procesorius Pentium II, naudojančius atskiroje mikroschemoje, bet procesoriaus korpuse esančia antrinę spartinančiąją atmintį. Pentium Pro in Pentium II pajėgumo jau pakanka darbui su pagrindinėmis verslo programomis.Pentium MMX
Procesorius Pentium MMX vykdo 57 papildomas instrukcijas ir turi du papildomus, lygiagrečiai veikiančius specializuotus įtaisus garsui ir grafikai apdoroti. Jame yra dvigubai talpesnė pirminė (16 + 16 KB) spartinančioji atmintis, taip pat prognozavimo įtaisas, panašus į procesoriuje Pentium Pro esantį įtaisą. Pentium MMX patobulinti ir kai kurie kiti procesoriaus Pentium įtaisai. Todėl jis veikia maždaug 1,3 karto sparčiau už to paties dažnio Pentium, o su programomis, kurios įvertina MMX funkcijas, – net 1,6 karto sparčiau.Pentium II ir Pentium III
Pentium II sudaro bendrame korpuse įdėtos procesoriaus ir antrinės spartinančiosios atminties mikroschemos, tarpusavyje sujungtos atskira spartesne 64 bitų magistrale, veikiančia ne 66MHz dažniu, o dažniu, lygiu pusei procesoriaus darbo dažno. Pentium II – tai patobulintas procesorius Pentium Pro su MMX funkcijomis, bet ne antrinės spartinančiosios atminties procesoriaus mikroschemoje. Pentium II yra ekonomiškesnis, jį maitina ne iš 3,3 V šaltinio, bet iš 2,8 V šaltinio. Jo maksimalus darbo dažnis yra 450 MHz. 350, 400 ir 450 MHz Pentium II gali dirbti su 100 MHz kompiuterio magistrale. Su pagrindine plokštę jis sujungiamas per lizdą „Slot 1“.
1999 m. pradžioje Intel pradėjo gaminti 450 ir 500 MHz procesorius Pentium III. Jų didžiausias darbo dažnis jau peržengęs 1GHz ribą. Pentium III turi 70 papildomų instrukcijų ir sugeba lygiagrečiai vykdyti operacijas su keliais slankiojo kabelio skaičiais, ko negali procesoriai, turintys tim MMX instrukcijas. Papildomos instrukcijos pastebimai paspartina erdvinę animaciją bei kalbos atpažinimą. Naujieji Pentium II su pagrindine plokšte sujungiami per pigesnį „Socket“ tipo lizdą.
Galingesniems kompiuteriams firma gamina procesorius „Xeon“.Pentium IV
2000m. pabaigoje Intel pateikė naujos architektūros 1,3 GHz dažnio procesorių Pentium IV, sudarytą iš 42 milijonų tranzistorių ir suprojektuotą darbo dažniui didinti iki 2 GHz ir daugiau. Jis turi papildomą specialių instrukcijų rinkinį SSE2, skirtą vaizdų bei garsų apdorojimui paspartinti, ir ilgesnį instrukcijų apdorojimo konvejerį, kuris instrukcijos vykdymą skaido į 20 etapų. Instrukcijų perdavimui į konvejerį paspartinti Pentium IV iš anksto jas surikiuoja vykdymo tvarka, per vienąą taktinį impulsą instrukciją apdoroja du kartus: impulsui prasidedant ir baigiantis. Procesorius patikimiau numato, kuri programos šaka bus vykdoma. Pentium IV pranašumai prieš procesorius Pentium II ir Athlon pasireiškia tik dirbant su jam pritaikytomis programomis. Pentium IV dedamas į „Socket“ tipo lizdą.Celeron
Pigesnis kompiuteris skirti procesoriai Celeron iš pradžių buvo Pentium II, o paskui Pentium III su sumažinta antrine spartinančiąja atmintimi, veikiantys šiek tiek mažesniu dažniu. Jie atsirado norint susilpninti pigesniųjų firmos AMD procesorių konkurenciją. Senesnieji Celeron su RAM bendrauja per 66 MHz magistralę, o naujesnieji – per 100 MHz magistralę. Jų galios visiškai pakanka darbui su populiariausiomis verslo programomis. Senesnieji procesoriai Celeron buvo dedami į „Slot 1“ , o nauji – į „Socket“ tipo lizdą.Firmų AMD ir Via procesoriai
AMD daug metų gamino firmos Intel mikroprocesorių 286, 386 ir 486 kopijas. Dabar ji gamina originalius procesorius Athlon ir Duron, naujesnės architektūros ir pajėgesnius už Intel procesorius Pentium III ir Celeron. VIA, nupirkusi iš firmos Cyrix licenziją jos procesoriams gaminti, bando įsiterpti į pigiausiems personaliniams kompiuteriams skirtų procesorių rinką. Visų minėtų procesorių pajėgumo pakanka daugeliui verslo reikalų spręsti.AMD procesoriai
1997 m. viduryje AMD pradėjo gaminti procesorius K6, kurie turėjo MMX instrukcijas, 8,8 milijono tranzistorių, 32 + 32 KB pirminę spartinančiąją atmintį, buvo pigesni ir mažesni už Pentium Pro, bet panašios galios. Pentium Pro juos lenkė tik sprendžiant uždavinius su realiaisiais (slankiojo kabelio) skaičiais. MMX operacijas K6 vykdė du kartus lėčiau negu Pentium MMX. Sparčiausieji K6 veikė 300 MHz dažniu.
1998 m. pavasarį AMD pradėjo gainti 266 MHz procesorius K6-2. Juose buvo 27 naujos instrukcijos 3D operacijoms paspartinti, spartesnis slankiojo kabelio ir dvigubai spartesnis MMX operacijų įtaisas. Šio tipo procesoriai paplito ne tik kabinetiniuose, bet ir nešiojamuose kompiuteriuose ir privertė Intel pradėti gaminti procesorius Celeron.
1999 m. AMD pradėjo gaminti procesorius Athlon, kurie pasirodė pranašesni už to paties dažnio procesorius Pentium III, ir pigesniems kompiuteriams skirtus procesorius Duron.
2000 m. Intel pirmą kartą pajuto rimtą naujų AMD procesorių konkurenciją ir pavojų vienvaldystei IBM tipo personalinių kompiuterių procesorių rinkoje.VIA procesoriai
VIA procesoriai yra paprasčiausi ir patys pigiausi. Jie dedami į pačius pigiausius kompiuterius , skirtus dirbti su populiariausiomis verslo programomis. Gamindami pigius, bet daugeliui darbų pakankamai galingus procesorius firma VIA Technologies tikisi tenkinti tos kompiuterių vartotojų dalies poreikius, kurie nemato prasmės išlaidauti įsigyjant perteklinę galią turinčius procesorius.Literatūra
1. A.Balčytė, G.Leonavičius, J.Stankevičius, A.Talutis, E.Valavičius, A.Žilinskas „Informatikos Įvadas“ Vilnius., Apyausris., 1996m.,
2. Starkus, Bangimantas Personalinis kompiuteris Bangimantas Starkus. Kaunas : “Smaltijos” leidykla, 2001.,

Leave a Comment