3. Микропроцессор
3.1.Общее устройство микропроцессора
Микропроцессор является интегральной схемой со сверхбольшой степенью интеграции элементов (транзисторов). Внутри одного современного микропроцессора может находиться более 800 млн. транзисторов. Структура микропроцессора показана на рис.3.1.
Микросхема состоит из нескольких слоёв.
Защитный слой- слой диэлектрика для защиты микросхемы от внешних воздействий.
Металлические слои- это межтранзисторные соединения, обеспечивающие электрическое подключение электронных компонентов микросхемы друг с другом в требуемом порядке.
Полупроводниковые элементы- простейшие электронные приборы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы), выполняющие различные функции, печатаются на кремниевой подложке с использованием точно дозируемых химических примесей, газов и ультрафиолетового облучения, образуют трёхмерную структуру из более двадцати слоёв, сложным образом соединённых между собой.
Кремниевая подложка- пластина из химически чистого кремния, подвергнутая тончайшей обработке. С подложки начинается изготовление микросхемы.
Корпус- предохраняет кремниевый кристалл микропроцессора от внешних механических воздействий. Корпус современных микропроцессоров имеет металлическую крышку- интегрированный теплорассеиватель IHS (Integrated Heat Spreader), соприкасающийся с поверхностью кристалла процессора. Теплорассеиватель представляет собой медную пластину толщиной около 2 мм, покрытую тонким слоем никеля. Это улучшает теплообмен процессора с системой охлаждения и обеспечивает механическую защищенность процессорного кристалла при продольных нагрузках.
Рассматривая микропроцессор в общем виде, то можно выделить его три основных устройства:
арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ)- управляющее работой АЛУ и других устройств компьютера;
регистры- ячейки внутренней памяти микропроцессора, в которых временно хранятся операнды, команды, адреса ячеек оперативной памяти с операндами, а также признаки состояния компьютера (флаги). В регистрах микропроцессор выполняет обработку информации: например, при сложении двух чисел, одно из них помещается в регистр, затем туда же добавляется другое число, оставшаяся в регистре сумма затем переносится из микропроцессора в оперативную память.
Микропроцессоры характеризуются тактовой частотой, разрядностью и архитектурой.
3.2.Тактовая частота микропроцессора
Работа всех устройств микропроцессора синхронизируется, т.е. согласовывается благодаря электрическим импульсам тактовой частоты, вырабатываемых специальной микросхемой, называемой тактовым генератором. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц, млн. тактов в секунду). За время каждого такта микропроцессор выполняет одну элементарную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор и выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией- производителем. Существует возможность некоторого увеличения тактовой частоты процессора пользователем путём перестановки специальных перемычек на материнской плате либо изменением настроек в программе конфигурации компьютера, однако делать это без крайней нужды не следует по ряду причин: фирма- производитель назначает тактовую частоту оборудования не произвольно, а так, чтобы компьютер работал с максимальной скоростью устойчиво, без сбоев. Современные микропроцессоры, работая на полной мощности, выделяют до 70- 130 Вт тепловой энергии и их оснащают массивными радиаторами и вентиляторами, чтобы обеспечить оптимальный для этих микросхем тепловой режим, составляющий 50 – 60оС. При произвольном увеличении тактовой частоты процессора владельцем компьютера (так называемый "разгон процессора", overclocking) система охлаждения может не справиться с растущим тепловыделением и процессор будет работать в неблагоприятном режиме повышенных температур, ускоряющем выработку ресурса микросхемы и сокращающем продолжительности его работы.
Средний срок службы обычной интегральной схемы составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C. Для современных процессоров (в частности Phenom и Penryn), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой, чем "среднестатистическая" микросхема, средний срок службы сокращается ещё быстрее и составляет не более 1000-1500 ч при подъёме температуры от оптимальной до 85-90°C.
При опасном перегреве микропроцессора (около 90оС) начинаются перебои в его работе либо полный выход из строя. В микропроцессорах предусмотрена защита от перегрева (интегрированный в ядро процессора термодиод), поддерживаемая BIOS и материнской платой, на которую устанавливается процессор, своевременно выключающая электропитание процессора и сберегающая его от сгорания в случае неосторожного разгона или отказа системы охлаждения. На процессорах Intel, дополнительно к полному отключению электропитания, предусмотрена также более мягкая защита, обеспечивающая в случае опасного подъёма температуры (до 70-80оС) отработку процессором "пустых тактов" (Thermal Throttling), т.е. кристалл начинает работать через такт, снижая свою производительность приблизительно на 50%, остывая и не прекращая работы.
Как следует из сказанного, на современных персональных компьютерах при чрезмерном повышении тактовой частоты микропроцессора пользователь взамен ожидаемого роста производительности получает либо снижение скорости работы, либо сокращение срока службы машины и перебои в работе, либо лишается её совсем.