ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΟΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΟΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΙΤΛΟ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - CPU Μπακρατσάς Γιώργος geback007@yahoo.gr Δεκέμβριος, 2014

2 Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ... 4 ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ (ΜΙΚΡΟ)ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΘΕΩΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΠΑΡΑΚΑΤΩ Δεκαετία Δεκαετία Δεκαετία Δεκαετία ΚΑΠΟΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΟΥ ΚΡΙΝΟΥΝ ΕΝΑΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ... 9 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Πηγές... 12

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ιστορία των επεξεργαστών ξεκινά το 1971, όταν μια μικρή και άγνωστη εταιρία, η Intel για πρώτη φορά ένωσε πολλά transistors, σχηματίζοντας την πρώτη κεντρική μονάδα επεξεργασίας, ένα chip που ονομάστηκε Αυτό έγινε 8 χρόνια πριν από την κατασκευή του πρώτου προσωπικού υπολογιστή (Personal Computer / PC). Ο επεξεργαστής ή αλλιώς η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (C.P.U. - Central Processing Unit), είναι το βασικό εξάρτημα της λειτουργίας ενός υπολογιστή όπου και εκτελείται το μεγαλύτερο μέρος εντολών και λειτουργιών. Στην πράξη, πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα όπως όλα τα άλλα, κατασκευασμένο πάνω σε ένα κομμάτι πυριτίου, που ενσωματώνει τα κυκλώματά του που αποτελούνται κατά κύριο λόγο από τρανζίστορς. Τα βασικά μέρη ενός επεξεργαστή είναι η Αριθμητική και Λογική Μονάδα (A.L.U. - Arithmetic and Logical Unit) όπου εκτελούνται οι αριθμητικές και λογικές πράξεις, οι Καταχωρητές (Registers) που είναι μικρές μονάδες μνήμης που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων καθώς αυτά υφίστανται επεξεργασία και η Μονάδα Ελέγχου (C.U. - Control Unit) που ελέγχει τη ροή δεδομένων από και προς την Κ.Μ.Ε (στους καταχωρητές, τη μνήμη και τις περιφερειακές μονάδες εισόδου/εξόδου). Αν και τα βασικά μέρη της αρχιτεκτονικής των επεξεργαστών παρέμειναν τα ίδια, στο πέρασμα του χρόνου οι εταιρείες κατασκευής επεξεργαστών, επινόησαν νέες τεχνικές κατασκευής τους με γνώμονα το κόστος, τη ταχύτητα επεξεργασίας αλλά κυρίως την επεξεργαστική ισχύ. Έτσι έχουμε δει επεξεργαστές με ενσωματωμένη cache memory, επεξεργαστές με διπλούς ή τετραπλούς πυρήνες, με ενσωματωμένο σετ εντολών (ΜΜΧ), "υβριδικούς" Intel OverDrive επεξεργαστές, επεξεργαστές με level 2 cache memory και πολλούς άλλους τύπους επεξεργαστών.

4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η πρώτη γενιά ηλεκτρονικών υπολογιστών κατασκευαζόταν με λυχνίες κενού. Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές υπερτερούσαν σε ταχύτητα υπολογισμών έναντι της προηγούμενης γενιάς μηχανικών υπολογιστών, αλλά υστερούσαν σε αξιοπιστία. Κύρια αιτία της χαμηλής αξιοπιστίας ήταν οι λυχνίες, που παρουσίαζαν μεγάλο πρόβλημα υπερθέρμανσης με αποτέλεσμα οι υπολογιστές να καταρρέουν πολύ συχνά. Εξ αρχής, οι υπολογιστές ήταν πεδίο έρευνας σε πανεπιστήμια και η ανάπτυξη χρηματοδοτούνταν από τις κυβερνήσεις. Η πρώτη σημαντική βελτίωση επιτεύχθηκε με την έλευση του τρανζίστορ, που δεν παρουσίαζε κανένα από τα μειονεκτήματα των λυχνιών. Οι υπολογιστές με τρανζίστορ ήταν πολύ μικρότεροι σε μέγεθος, δεν υπερθερμαίνονταν εύκολα και πραγματοποιούσαν υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα απ' ότι οι υπολογιστές με λυχνίες. Με την χρήση των τρανζίστορ μειώθηκε επίσης σημαντικά και η ηλεκτρική κατανάλωση των υπολογιστών. Οι νέοι υπολογιστές υπερτερούσαν σε όλα τα επίπεδα και μέχρι τις αρχές του '60 είχαν αντικαταστήσει πλήρως την προηγούμενη γενιά. Η δεύτερη γενιά κατασκευαζόταν αποκλειστικά με τρανζίστορ ενώ ορισμένοι υπολογιστές ήταν δυνατό να προγραμματιστούν με συμβολική γλώσσα. Τα νέα θετικά στοιχεία προκάλεσαν το ενδιαφέρον ιδιωτικών εταιριών για τους υπολογιστές και τους επεξεργαστές. Με προσανατολισμό την κατασκευή υπολογιστών για εμπορικούς σκοπούς, επενδύθηκαν μεγάλα κεφάλαια για αυτοματοποίηση των εργασιών στις επιχειρήσεις. Σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν υπολογιστές με ταχύτερη μνήμη και καλύτερες μονάδες εισόδου και εξόδου δεδομένων. Λόγω των αυξανόμενων απαιτήσεων για περισσότερη υπολογιστική κατασκευάστηκαν τόσο μικροσκοπικά τρανζίστορ που δύσκολα γινόταν ορατά δια γυμνού οφθαλμού, ενώ σταδιακά άρχισαν να τα ενσωματώνουν σε πλακέτες. Οι πλακέτες, που κάθε μια επιτελούσε μια λειτουργία, κατασκευάζονταν αυτόνομα και έπειτα συναρμολογούνταν όλες μαζί. Η επιμέρους ανάπτυξη τμημάτων, που με την συναρμολόγηση τους παραγόταν ένας υπολογιστής, διέκρινε και την ΚΜΕ ως ξεχωριστή οντότητα από το σύνολο του υπολογιστή.

5 ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ (ΜΙΚΡΟ)ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΘΕΩΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΠΑΡΑΚΑΤΩ. Δεκαετία : Η Intel παρουσιάζει τον πρώτο μικροεπεξεργαστή, τον Έχει δίαυλο δεδομένων πλάτους 4 bit, κατασκευάζεται με τρανσίστορς και έχει συχνότητα λειτουργίας 108 khz. 1974: Εμφάνιση του 8 bit μικροεπεξεργαστή Intel 8080 ως αποτέλεσμα της εξέλιξης του Έχει συχνότητα λειτουργίας 2 MHz και η κατασκευή του απαιτεί τρανσίστορς. Απάντηση της Zilog με τον Z80 και της Motorola με τον 6800, o οποίος έχει τρανσίστορς και ίδια συχνότητα λειτουργίας με τον : Η Intel αναβαθμίζει τον 8080 σε : Εμφανίζονται οι πρώτοι 16 bit μικροεπεξεργαστές (δηλαδή ο δίαυλος δεδομένων τους έχει πλάτος 16 bit). H Intel παρουσιάζει τον 8086/8088, του οποίου η συχνότητα λειτουργίας έχει ανέβει πλέον στα 10 MHz και η κατασκευή του απαιτεί τρανσίστορς. Η Motorola εμφανίζει τον με συχνότητα λειτουργίας 8 MHz, ο οποίος περιέχει τρανσίστορς (από αυτό το γεγονός πήρε και το όνομά του).

6 Δεκαετία : Εμφανίζεται ο Intel 80286, ο οποίος περιέχει τρανσίστορς και έχει συχνότητα λειτουργίας 12,5 MHz. Αντίστοιχα η Motorola εμφανίζει τον : Εμφανίζονται οι πρώτοι 32 bit μικροεπεξεργαστές. Από τη μια ο Intel 80386, ο οποίος περιέχει τρανσίστορς και συχνότητα λειτουργίας 33 MHz και από την άλλη ο Motorola με τρανσίστορς και 16 MHz. Οι εξελίξεις πλέον είναι ραγδαίες. 1989: Εμφανίζεται ο 32 bit μικροεπεξεργαστής Intel 80486, ο οποίος έχει τρανσίστορς και συχνότητα λειτουργίας 50 MHz. Δεκαετία : Εμφανίζεται ο Intel Pentium, ο οποίος περιέχει τρανσίστορς και η συχνότητα λειτουργίας του έχει φτάσει στα 166 MHz. 1993: H Digital παρουσιάζει τον πρώτο 64 bit μικροεπεξεργαστή Alpha.

7 1997: H Intel ανακοινώνει τον Pentium II. Η συχνότητα λειτουργίας του βρίσκεται στα 300 MHz και το ολοκληρωμένο κύκλωμά του αποτελείται από τρανσίστορς. 1999: H Intel ανακοινώνει τον Pentium III με συχνότητα λειτουργίας 450 MHz (κ φτάνοντας σταδιακά με το πέρασμα του χρόνου στο 1.13 GHz). Το ολοκληρωμένο κύκλωμα αποτελείται από τρανσίστορς. Δεκαετία : H Intel ανακοινώνει τον Pentium IV. Η συχνότητα λειτουργίας του βρίσκεται στα 2.0 GHz και το ολοκληρωμένο κύκλωμά του αποτελείται από τρανσίστορς. 2005: Πρώτη η AMD και περίπου ένα χρόνο μετά η Intel, παρουσιάζουν διπύρηνους μικροεπεξεργαστές. Από την πλευρά της AMD o Opteron προορίζεται για servers και workstations και ο διπύρηνος Athlon 64 για προσωπικούς υπολογιστές. Από την πλευρά της Intel παρουσιάζονται 10 νέοι επεξεργαστές Core 2 Duo και Core 2 Extreme. Με την χρήση των δύο πυρήνων οι επεξεργαστές μπορούν να διαχειριστούν πολλές εργασίες ταχύτερα, καθώς επίσης και να λειτουργήσουν πιο ομαλά όταν τρέχουν πολλαπλές εφαρμογές. Επιπλέον, βελτιώνουν εργασίες όπως η αναπαραγωγή βίντεο υψηλής ευκρίνειας, η προστασία του υπολογιστή και των

8 στοιχείων του και η βελτιωμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας για κομψότερους και ελαφρύτερους φορητούς υπολογιστές. 2008: Η Intel κυκλοφόρησε τον Atom, το μικρότερο σε μέγεθος επεξεργαστή της που υλοποιήθηκε με τα μικρότερα τρανζίστορ του κόσμου. Δημιουργήθηκε ως μία εντελώς νέα σχεδίαση, ειδικά για φθηνές συσκευές, όπως πολύ μικρά notebooks και φορητές συσκευές με πρόσβαση στο Internet. Επίσης η Intel ανακοίνωσε τη νέα σειρά επεξεργαστών της με το όνομα Core i7. Η νέα αρχιτεκτονική στην οποία βασίζονται οι Core i7 είναι ριζικά διαφορετική από οτιδήποτε έχει επιδείξει η Intel μέχρι σήμερα. Ο Intel Core i7, δεν είναι απλά ένας νέος επεξεργαστής, αλλά μία ολόκληρη νέα πλατφόρμα η οποία επεκτείνεται σε όλα τα μέρη του υπολογιστή. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι: Τη ενσωμάτωση τεσσάρων διακριτών πυρήνων. Τη ενσωμάτωση του ελεγκτή μνήμης εντός του επεξεργαστή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την πολύ καλύτερη και πιο γρήγορη επικοινωνία επεξεργαστή και μνήμης. Τη υποστήριξη, για πρώτη φορά από την ίδια την Intel, της χρήσης δύο ή περισσότερων καρτών γραφικών στο ίδιο σύστημα. Και τέλος συχνότητες επεξεργαστών των 2,66 GHz και 2,93 GHz. LGA1366 Core i7 LGA1156 Core i7 LGA1156 Core i5 and i3 Intel Atom

9 ΚΑΠΟΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΟΥ ΚΡΙΝΟΥΝ ΕΝΑΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ Συχνότητα Όσο περισσότερα τα Hz, τόσο μεγαλύτερη και η ταχύτητα επεξεργασίας. Επειδή όμως πλέον δεν υπάρχει η ανάγκη να είναι ακόμα μεγαλύτερη η συχνότητα cpu, οι εταιρείες επικεντρώνονται στο να βγάζουν επεξεργαστές με περισσότερους πυρήνες (για παράλληλες επεξεργασίες), μεγαλύτερες cache, κλπ. Λέμε ότι ο τάδε επεξεργαστής έχει συχνότητα 3GHz, που σημαίνει ότι σε ένα δευτερόλεπτο μπορεί να κάνει 3 δισεκατομμύρια "κύκλους" (1Hz = 1 κύκλος / δευτερόλεπτο). Αυτό βέβαια, όπως προαναφέραμε, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι μία cpu 2Ghz σε σχέση με μία του 1GHz έχει τη διπλάσια ταχύτητα, για το λόγο ότι η επεξεργασία δεδομένων μπορεί να είναι σε αναμονή εξαιτίας άλλων παραγόντων και να μην έχει τόσο μεγάλη απόδοση - να μην μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλη την ισχύ του. Socket Cpu socket είναι ουσιαστικά η υποδοχή που έχει μία μητρική πλακέτα, για να μπορεί να δεχτεί ένα συγκεκριμένου τύπου επεξεργαστή. Υπάρχουν ειδών επεξεργαστές κατασκευασμένοι με μία συγκεκριμένη αρχιτεκτονική. Κάποιοι έχουν π.x. την Α αρχιτεκτονική, κάποιοι την Β. Έτσι για να μπορούν να "κουμπώσουν" επάνω σε μία motherboard, θα πρέπει αυτή να έχει και το κατάλληλο cpu socket, δηλαδή την κατάλληλη υποδοχή που να υποστηρίζει την αρχιτεκτονική του κάθε επεξεργαστή. Μνήμη Cache Cpu cache είναι πολύ απλά μία μνήμη που έχει μέσα του ένα επεξεργαστής και αποθηκεύει προσωρινά δεδομένα από τις πράξεις που κάνει. Φανταστείτε ότι ο επεξεργαστής κάνει διάφορες πράξεις. Χρειάζεται όμως κάποια προσωρινή μνήμη για να αποθηκεύει κάποια δεδομένα που θα τον βοηθήσουν να συνεχίσει να κάνει τις επόμενες πράξεις, ή να αποθηκεύσει κάποια αποτελέσματα που πρόκειται να επαναχρησιμοποιήσει. Έτσι έχει την δική του μνήμη που ονομάζεται cache που είναι πολύ πιο ταχύτερη από τη μνήμη ram. Χωρίζεται σε 3 επίπεδα στην L1 cache, στην L2 cache και στην L3 cache. L1 cache είναι η πιο γρήγορη και μικρή μνήμη του υπολογιστή που βρίσκεται πιο κοντά στην cpu σε αντίθεση με τις υπόλοιπες. Κάθε πυρήνας στον επεξεργαστή έχει και τη δική του L1 cache και έρχεται σε "άμεση επαφή" μαζί της. Χρησιμεύει στο να αποθηκεύονται σε αυτήν κάποια προσωρινά δεδομένα από τις πράξεις που κάνει ο επεξεργαστής ή κάποια δεδομένα γενικά που πρόκειται να επαναχρησιμοποιήσει. Το μέγεθός της κυμαίνεται συνήθως από 8kb - 64kb και είναι γρηγορότερη από τις L2 και L3.

10 L2 cache είναι η cache αυτή που βρίσκεται ενδιάμεσα από την L1 και L3. Πρόκειται για μία ταχύτατη προσωρινή μνήμη πιο αργή αλλά και πιο μεγάλη σε μέγεθος από την L1, πιο γρήγορη αλλά και πιο μικρή σε μέγεθος από την L3. Ο επεξεργαστής αν δεν βρει τα δεδομένα που θέλει να επαναχρησιμοποιήσει, στην L1, τότε ανατρέχει σε αυτήν. Η L2 cache υπάρχει σε κάθε πυρήνα ενός επεξεργαστή. L3 cache είναι η cache - προσωρινή μνήμη που βρίσκεται πιο κοντά στη μνήμη ram και πιο "μακριά" από τον επεξεργαστή σε αντίθεση με τις L1, L2. Η L3 cache είναι μεγαλύτερη αλλά και πιο αργή από τις άλλες δύο. Αν ο επεξεργαστής δεν βρει τα δεδομένα που θέλει να επαναχρησιμοποιήσει στις άλλες δύο, ανατρέχει σε αυτήν. Η διαφορά με τις άλλες δύο, είναι ότι αυτή είναι κοινή για όλους τους πυρήνες της cpu (συν η πιο αργή ταχύτητα και το μεγαλύτερο μέγεθος που προαναφέραμε). Έτσι ένας quad core (4πύρηνος επεξεργαστής), έχει μία κοινή L3 cache και για τους 4 πυρήνες. Overclocking Overclocking είναι μία ενέργεια που μπορούμε να κάνουμε στον επεξεργαστή του υπολογιστή μας, ώστε να ανεβάσουμε τη συχνότητα λειτουργίας του. Ένας επεξεργαστής είναι κατασκευασμένος για να τρέχει με μία συγκεκριμένη ταχύτητα. Παρόλα αυτά, πολλές φορές μπορεί να υποστηρίξει και μεγαλύτερες ταχύτητες, χωρίς να "καεί". Έτσι μπορούμε να τον κάνουμε overclocking, δηλαδή να αυξήσουμε τη συχνότητα cpu και να επεξεργάζεται τα δεδομένα ακόμα πιο γρήγορα. Δηλαδή θα μπορεί να κάνει περισσότερους "κύκλους" ανά δευτερόλεπτο σε σχέση με πριν. Έτσι, εκεί που τον αγοράσαμε στα 3GHz, θα μπορούσαμε να τον ανεβάσουμε με overclocking πχ στα 3,2GHz. Προτού βέβαια προβούμε σε αυτήν την ενέργεια, θα πρέπει να δούμε αν "μπορεί να το αντέξει". Στα ελληνικά ονομάζεται υπερχρονισμός επεξεργαστή. Dual core Dual core είναι ο διπύρηνος επεξεργαστής - cpu ο οποίος μπορεί να κάνει 2 πράξεις παράλληλα. Αν για παράδειγμα μία cpu δεχτεί 4 εντολές προς επεξεργασία, τότε θα τις επεξεργαστεί σε δυάδες, οπότε σε δύο "κύκλους" θα έχει τελειώσει την επεξεργασία 4 εντολών, επιστρέφοντας τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Κάθε πυρήνας ασχολείται με μία πράξη στην ουσία, οπότε αφού έχει 2, τότε μπορεί να ασχοληθεί παράλληλα με δύο. Σε αυτό εξυπηρετεί το dual core και πλέον υπάρχουν και οι quad core, 6, 8, κλπ.

11 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Οι επεξεργαστές συνεχίζουν να εξελίσσονται με αμείωτους ρυθμούς, καθώς οι κατασκευαστές των επεξεργαστών εργάζονται πυρετωδώς, ώστε να κερδίσουν έδαφος έναντι του μεγάλου ανταγωνισμού που υπάρχει. Η Intel και η AMD, που έχουν κυριαρχήσει στην αγορά, συνεχώς ανακοινώνουν καινούργια προϊόντα με αποτέλεσμα την κυκλοφορία εξαπύρηνων και οχταπύρηνων επεξεργαστών. Η συνεχής βελτίωση των επιδόσεων έχει οδηγήσει στην μαζική κυκλοφορία νέων εκδόσεων επεξεργαστών. Στα επόμενα χρόνια περιμένουμε να δούμε νέες τεχνολογικές ανακαλύψεις να ενσωματώνονται σε αυτούς και να αποκτούν ακόμα μεγαλύτερες δυνατότητες επεξεργασίας. Ταυτόχρονα η χρήση τους θα επεκτείνεται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές, κάνοντας τη ζωή μας πιο εύκολη.

12 Πηγές r