SOU Valašské Klobouky VY_32_INOVACE_01_8 IKT Procesory, Intel, AMD, Architektura x86-64, AMR Mgr. Radomír Soural Zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název a číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0459 Název školy SOU Valašské Klobouky, Brumovská 456 Název klíčové aktivity Název materiálu Autor 1. sada Vyučovací předmět a tématická oblast III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Procesory, Intel, AMD, Architektura x86-64, AMR Mgr. Radomír Soural VY_32_INOVACE_01_8 IKT Procesory, Intel, AMD, Architektura x86-64, AMR Informační a komunikační technologie, 1 roč. nástavbové studium Datum vytvoření Říjen 2012 Anotace Seznámení studentů s pojmy: Procesor, procesory firem Intel, AMD, architektura x86-64, architektura AMR Popis způsobu použití výukového materiálu Prezentace pomocí IT techniky (PC, dataprojektor, plátno, příp. zvuková souprava, vizualizér)
Procesor Procesor též CPU (anglicky Central Processing Unit) je základní součástí počítače; - jde o velmi složitý sekvenční obvod, který vykonává strojový kód uložený v operační paměti počítače. Strojový kód je složen z jednotlivých strojových instrukcí počítačových programů nahraných do operační paměti V současnosti se používají mikroprocesory, což jsou procesory realizované v jednom nebo v několika integrovaných obvodech s vysokou až extrémně vysokou integrací. Mikroprocesor může být také implementován jako firmware běžící v hradlovém poli. Jádro jednoduchých 8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel, současné procesory pro smartfony a PC mohou obsahovat desítky i stovky milionů hradel. První mikroprocesory byly vyvinuty okolo roku 1971. Moderní procesory jsou rozsáhlé integrované obvody, které mohou zabírat několik centimetů čtverečních, mít stovky pinů a obsahovat desítky nebo stovky milionů hradel. V osobních počítačích a malých pracovních stanicích bývá procesor realizován jako integrovaný obvod umístěný na základní desce počítače. Velké počítače mohou obsahovat celá procesorová pole. 1. Podle délky operandu v bitech Dělení procesorů Základní vlastností procesoru je délka slova (operandu). Délka slova vyjadřuje počet bitů, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1), atd. Operace s většími čísly musí být rozděleny do několika kroků. V minulosti se používaly 4bitové procesory. Jeden z prvních procesorů byl právě 4bitový procesor Intel 4004. Pro jednoduché aplikace se používají převážně 8bitové nebo 16bitové procesory. Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, mobilní telefony, PDA nebo přenosné videohry se už většinou používají 32bitové procesory. Postupující vývoj
hardware (viz Mooreův zákon) a unifikace software vedl i u středně složitých zařízení k přechodu na 32bitové procesory (typicky ARM). Současné osobní počítače již většinou obsahují vícejádrové 64bitové procesory. Protože zvyšování frekvence a rozšiřování počtu bitů jsou spojeny s řadou problémů, jde nyní vývoj směrem k vícejádrovým procesorům. 2. Podle struktury procesoru Podle vnitřní architektury Procesory RISC s menším počtem strojových instrukcí (nedostatkem architektury RISC je větší spotřeba paměti pro program) Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech, nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie Procesory CISC s velkým počtem instrukcí. (potřebují zase více času pro zpracování strojové instrukce Současné procesory Intel a kompatibilní obcházejí nedostatky instrukční sady typu CISC tím, že vnitřně používají pro interpretaci strojového kódu architekturu RISC, čímž za cenu složitější práce procesoru dochází ke spojení výhod obou architektur. 3. Procesory podle schopnosti podpory skutečného operačního systému Pro jednoduché aplikace nebo pro jednoduché operační systémy nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU, anglicky memory management unit), například 16bitové procesory pro první IBM PC kompatibilní počítače (procesory 8088 až 80286 a jejich operační systémy DOS až Windows 3.0. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT, Linux, Mac OS X atd), které zajišťují ochranu paměti a současný chod více programů (preemptivní multitasking), současnou práci více uživatelů na jednom počítači nebo dokonce virtualizaci je nutné, aby tyto možnosti procesor podporoval (v případě procesorů pro IBM PC jsou to architektura IA-32, tj. procesory 386 a novější).
4 Podle počtu jader V současnosti jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. (PC) - procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními. Integrací většího počtu jednodušších jader je teoreticky možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra. Základní parametry procesoru: a) Rychlost jádra - počet operací provedených za jednu sekundu MIPS (milionů operací za sekundu) 0 3400 MIPS (v budoucnu i více) b) Výrobní proces - velikost tranzistorů (nm) - (65-22 nm - i méně) c) Šířka slova - (maximální bitová šířka operandů instrukcí) 4 128b d) Počet jader Počet a typ jader integrovaných v procesoru číslo běžně 1 16 jader e) Výkon FPU Přítomnost FPU/počet základních operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést MFLOPS (megaflops) až desítky GFLOPS (gigaflops), podle architektury a počtu FPU f) Šířka externí datové sběrnice - maximální počet bitů, které je možné během jedné operace přenést z/do čipu (8 128b) g) Frekvence externí datové sběrnice (FSB) - maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM (stovky MHz) h) Interní paměť cache - kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru (většinou 4-12MB) i) Interní paměť cache Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru Byte i několik MiB (většinou 4-12MiB)
Společnosti zabývající se výrobou procesorů - Intel Corporation (Integrated Electronics Corporation) největší mezinárodní výrobce procesorů a polovodičových součástek se sídlem v kalifornském Křemíkovém údolí ve Spojených Státech. (1968) Společnost Intel vyvinula architekturu x86 - AMD (Advanced Micro Devies) je mezinárodní výrobce procesorů se sídlem v kalifornském Sunnyvale ve Spojených Státech. 1982 licencovaný výrobce procesorů řad 8086 a 8088, později i Am286. Později však firma Intel odmítla poskytnout technické specifikace procesoru i386, což vedlo k vleklým soudním sporům, které později AMD vyhrálo. V roce 2006 společnost AMD ohlásila akvizici společnosti ATI Technologies a stala se tak předním světovým výrobcem grafických čipů. Firma AMD se v současné době věnuje hlavně vývoji procesorů (zejména x86 kompatibilních), grafických karet a čipsetů. - VIA Technologies je tchaj-wanský výrobce integrovaných obvodů, procesorů, pamětí a největší nezávislý výrobce čipsetů na světě. (1983) - zabývá se především integrací
čipů na základní desce, snižováním spotřeby a vývojem čipů pro práci se zvukem, obrazem nebo čipů pro optické mechaniky, síťové karty, grafické karty a počítačové periferie. - International Business Machines Corporation (IBM) hlavní činnost - výroba a prodej počítačového hardwaru a softwaru. Firma dodávala prostředky ke zpracování velkých objemů dat vládě Spojených Států nebo Třetí říši. IBM v roce 1957 vyvinula jazyk FORTRAN. Počítače IBM také pomáhaly NASA počítat údaje při letech do vesmíru. V roce 1981 začalo IBM prodávat počítač IBM PC, který se stal jedním z nejúspěšnějších počítačů tehdejší doby. V roce 2005 firma IBM odprodala divizi výroby počítačů společnosti Lenovo a zabývá se už pouze výrobou serverů a superpočítačů (Blue Gene nebo IBM Watson) ARM procesory - architektura procesorů vyvinutá v Británii firmou ARM Limited. Starší obchodní název architektury ARM je (Advanced RISC Machine), původní název je Acorn RISC Machine. Tato architektura způsobila v několika směrech revoluci v informačních technologiích. Její návrh se řídil filosofií RISC, neméně pozoruhodné je, že první procesory ARM byly založeny na GaAs polovodičích, které dovolily na tehdejší dobu velmi vysoké taktovací frekvence. Rovněž použitá 32bitová šířka slova nebyla v době vzniku ARMu samozřejmostí. První mikroprocesor s architekturou ARM byl navržen firmou ARM Limited v roce 1984. V roce 2007 byla architektura ARM zastoupena v 98 % ve více než jedné miliardě každoročně prodaných mobilů. Používá se v mobilních zařízeních (telefony, tablety apod.)žití
Přehled patic procesoru pro pracovní stanice (desktopy) Slot 1 - Intel Celeron, Pentium II, Pentium III Intel: Socket 370 - Intel Pentium III, Celeron; Cyrix III; VIA C3 Socket 423 - Intel Pentium 4[4] a procesory Celeron s jádrem Willamette. Socket 478 - Intel Pentium 4, Celeron, Celeron D, Pentium 4 Extreme Edition[4], Pentium M Socket N (jádra Northwood, Prescott a Willamette) Socket B (LGA 1366 ) - nový socket pro budoucí procesory Intelu integrující paměťový řadič a Intel QuickPath Interconnect. Socket T ( LGA 775) - Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron[4], Xeon 3000, Core 2 Quad (jádra Northwood, Prescott, Conroe, Kentsfield a Cedar Mill) Socket H (LGA 1156) - náhrada pro Socket T (LGA 775), bez integrovaného paměťového řadiče a novějšího point-to-point propojení procesoru. Socket H2 ( LGA 1155) AMD Super Socket 7 - AMD K6-2, AMD K6-III; Rise mp6. Slot A - AMD Athlon Socket A (také znám jako "Socket 462") - Používalo AMD Athlon, Duron, Athlon XP, Athlon XP-M, Athlon MP, Sempron a procesory Geode (PGA 462 kontaktů). Socket 754 - socket AMD pro jednoprocesorové systémy podporující jednokanálovou DDR- SDRAM. Podporuje AMD Athlon 64, Sempron, Turion 64 procesory (PGA 754 kontaktů). Socket 939 - socket AMD pro jednoprocesorové systémy podporující dvoukanálovou DDR- SDRAM. Podporuje Athlon 64, Athlon 64 FX do 1 GHz[3], Athlon 64 X2 do 4800+, Opteron (PGA 939 kontaktů). Nahrazen Socketem AM2 krátce po dvou letech po uvedení. Socket AM2 - socket AMD pro jednoprocesorové systémy podporující jednokanálovou DD2- SDRAM. Nahrazuje Socket 754 a Socket 939[3] (PGA 940 kontaktů, není totožný se Socketem 940 pro serverové procesory). Podporuje procesory Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron a Phenom.
Socket AM2+ - jednoprocesorové systémy s podporou DDR2 a HyperTransport 3. Nahrazuje Socket AM2 (PGA 940 kontaktů, elektronicky kompatibilní se Socketem AM2). Podporuje procesory Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron a Phenom. Socket AM3 - pro jednoprocesorové systémy s podporou DDR3 a HyperTransport 3. Nahrazuje Socket AM2+ s podporou DDR3-SDRAM (PGA 940 kontaktů). Procesory určené pro Socket AM3 lze použít i v paticích AM2+ (ne obráceně!). Socket AM3+ Socket FM1 Socket FM2 Architektura procesoru x86-64 (též AMD64, EM64T, IA-32E) je v informatice označení generace 64bitových procesorů pro počítače IBM PC kompatibilní. Procesor je zpětně kompatibilní s 32bitovou (viz IA-32) a 16bitovou architekturou (viz x86), a proto se na IBM PC prosadil. Procesory jsou obdobně jako předchozí generace realizovány interně jako RISCová architektura emulující pomocí mikrokódu architekturu CISC. Jedna z hlavních výhod 64-bitového procesoru je maximální velikost adresovatelné paměti. V AMD64 možnost adresovat víc paměti, až 256 terabajtů (32-bitové procesory jsou omezeny na adresaci 4GB paměti). Reálná použitelnost je ale omezena adresovací schopností paměťového řadiče, kdy jeden řadič (40-bit) zvládne adresovat 1024GB fyzické paměti. Procesor má ve svém jádře obsažený integrovaný paměťový řadič, který jinak bývá obsažen v north bridge čipové sady umístěné na základní desce. Spojení mezi procesorem a north bridge musí být realizováno pomocí sběrnic, které zpomalují tok dat a zvyšují zpoždění (latenci). Integrovaný řadič pamětí přímo v jádře snižuje tak latenci a přístup je výrazně rychlejší, údajně až o 20%. Pro přístup do paměti má k dispozici dva 72-bitové kanály s podporou pamětí DDR SDRAM. S rychlostí procesoru roste i rychlost řadiče, integrací zlepšuje se kompatibilita s pamětí (nezávisí na desce) a tím i spolehlivost. Integrovaný řadič paměti je ale možné vypnout a použít externí řadič čipsetu, pokud jím čipset disponuje.
Kontrolní otázky: Jaká je zkratka pro procesor? Kolika bitové procesory většinou obsahují současné osobní počítače? Čím je způsobena pomalost jednojádrového procesou? V jakých zařízeních se běžně používají proceory ARM? Popište architekturu procesoru x86-64 Které dvě základní společnosti se zabývají výrobou desktopových procesorů x86-64? Popište rozdíly architektury RISC a CISC
Použité zdroje a literatura AUTOR NEUVEDEN. Procesor [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/procesor#d.c4.9blen.c3.ad_procesor.c5.af AUTOR NEUVEDEN. x86-64 alias AMD64 [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://noel.feld.cvut.cz/vyu/scs/prezentace2006/amd_opteron/architektura/x86_amd64/x86_am D64.htm Zdroje obrázků: AUTOR NEUVEDEN. Intel Processor Comparison Chart Descriptions [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://fantasticlaptop.com/intel-processor-comparison-chart/ AUTOR NEUVEDEN. AMD: procesor Phenom II X4 965 Black Edition [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://channelworld.cz/produktove-novinky/amd-procesor-phenomtm-ii-x4-965-black-edition-948 AUTOR NEUVEDEN. 20 % mobilních počítačů v roce 2015 ponese ARM čipyn [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://diit.cz/clanek/20-notebooku-s-arm-do-roku- 2015produktove-novinky/amd-procesor-phenomtm-ii-x4-965-black-edition-948 MAC. Inside the Llano APU Architecture [online]. [cit. 30.10.2012]. Dostupný na WWW: http://www.hardwarecanucks.com/forum/hardware-canucks-reviews/44338-amd-a8-3850-apureview-llano-hits-desktop-2.html