Центральный процессор CPU Intel

Центральный процессор — основной «думатель» в компьютере. Сокращение CPU означает central processing unit — центральное процессорное устройство. В основном речь пойдет о процессорах Inel, есть еще процессоры AMD — но это большая отдельная тема.

Процессор устанавливается в сокет на материнской плате. Собственно socket на английском означает «гнездо», китайцы дословно так и переводят — «гнездо процессора» :).

Красиво сокет теперь называется LGA — (Land Grid Array) — матрица контактных площадок (т.е. контакты).
Ранее сокет был PGA —  (Pin Grid Array) — корпус с матрицей выводов (штырьковые контакты для 478 процессора).

Общий список socket from Intel

Socket 1 — Intel 80486
Socket 2 — Intel 80486 и совместимые с ними процессоры других производителей
Socket 3 — Intel 80486 и совместимые с ними процессоры других производителей
Socket 4 — Pentium (ранние версии)
Socket 5 — Pentium, AMD K5, IDT WinChip C6, WinChip 2, Cyrix/IBM/TI M1/6×86
Socket 6 — 80486DX4, модифицированная версия Socket 3. В реальных платах не использовался.
Socket 7 — Pentium, Pentium MMX, AMD K6, IDT WinChip, Cyrix/IBM/TI 6x86L, MII/6x86MX, Rise mP6
Socket 8 — Pentium Pro
Socket 370 — Pentium III (500 MHz — 1,4 ГГц), Celeron, Cyrix III, VIA C3
Socket 423 — Pentium 4 и Celeron, ядро Willamette

Socket 478 — Pentium 4 и Celeron, ядра Willamette, Northwood, Prescott
Процессорный разъём 478 контактов, предназначенный для установки процессоров Intel Pentium 4 и Celeron. Пришёл на смену Socket 423 весной 2002 года. Socket 478 использовали для всех процессоров с ядром Northwood (Pentium 4, Celeron), большинства Prescott (Pentium 4, Celeron D) и некоторых Willamette (Pentium 4, Celeron). У процессора соответственно 478 ножек (штырьковых контактов), которые вставляются в 478 разъемов.

Еще есть вариант сокета для мобильных процессоров, называется Socket P 478 — или uPGA 478 (количество штырьков такое же = 478). Это вообще мобильная платформа под 64 битные процессоры. Затейники, они там в Intel.

Socket 603/604 — Xeon, ядра Willamette и Northwood
PAC418 — Itanium
PAC611 — Itanium 2, HP PA-RISC 8800 и 8900

Socket J (LGA771) — Intel Xeon серий 33хх, 50xx, 51xx (ядра Dempsey и Woodcrest), 53xx (ядро Clovertown), 54xx (ядро Harpertown)
Socket T (LGA775) — Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad(ядра Northwood, Yorkfield, Prescott, Conroe, Kentsfield, Allendale и Cedar Mill)

Вот тут написано, как установить XEON 771 на сокет 775.

Socket LS (LGA1567) — Intel Xeon серий Xeon 6500 и Xeon 7500 (2010 год)
Socket B (LGA1366) — Core i7 и Xeon (35xx, 36xx, 55xx, 56xx серии) с интегрированным трехканальным контроллером памяти и соединением QuickPath. Замена Socket T и Socket J (2008 год)
Socket H (LGA1156) — Core i7/Core i5/Core i3 с интегрированным двуканальным контроллером памяти и без соединения QuickPath
Socket H2 (LGA1155) — замена Socket H (LGA1156) (2011 год)
Socket R (LGA2011) — Core i7 и Xeon с интегрированным четырехканальным контроллером памяти и двумя соединениями QuickPath — в основном для 4-х процессорных систем (серверный вариант, 4 слота на плате). Замена Socket B (LGA1366) (2011 год)
Socket B2 (LGA1356) — Core i7 и Xeon с интегрированным трехканальным контроллером памяти и соединениям QuickPath — в основном для 2-х процессорных систем (серверный вариант, два слота на плате). Замена Socket B (LGA1366) (2012 год)
Socket H3 (LGA1150) — замена Socket H2 (LGA1155) (2013 год)
Socket R3 (LGA2011-3) — замена Socket R (LGA2011) (2014 год), поддержка DDR4 и 4-х канального режима
LGA 1151 (LGA1151) — замена Socket H3 (LGA1150) (2015 год), поддержка DDR4 и 4-х канального режима
Socket P (LGA3647) — для серверных плат (2016 год) под процессор Intel® Xeon® Phi™ x200 (однако: TDP 260 Вт, 72 ядра, 4 потока на ядро), вот например материнская плата

Визуально процессоры по размерами:

2011 1366 1150 775

Последний LLGA3647 сокет огромен. Вот этот монстр.

А зачем процессору столько контактов (ножек для S478)?
Закон Ома помогает 🙂
Оцениваем — напряжение питания процессора можно принять 1В (реально — немного больше), в пике у хорошего процессора TDP порядка 150Вт.

Закон Ома нам как бы подсказывает, что в процессор нужно передать 150Вт / 1В = 150А.
Вот и ответ — большая часть контактов — это питание. Для 2011 сокета (это 2011 контактов) питание занимает как минимум половину. Итого 150А распределяются на 1000 контактов, что позволяет сделать разумным и низким ток. который течет через один контакт (150А / 1000 = порядка 0,15А)

FSB (Front Side Bus) — шина, обеспечивающая соединение между x86- и x64-совместимым центральным процессором и внутренними устройствами.

Как правило, современный персональный компьютер на базе x86- и x64-совместимого микропроцессора устроен следующим образом: микропроцессор через FSB подключается к системному контроллеру, который обычно называют «северным мостом», (англ. Northbridge). Системный контроллер имеет в своём составе контроллер ОЗУ (в некоторых современных персональных компьютерах контроллер ОЗУ встроен в микропроцессор), а также контроллеры шин, к которым подключаются периферийные устройства.

Опять смотрим в описание — материнская плата поддерживает и 533 и 800 Мгц, сейчас шина работает на 533 Мгц. Можно купить процессор на 800 Мгц шину? Да, можно — BIOS переключит частоту автоматически.

Военная / маркетинговая хитрость.

Внимание — есть старые платы, у которых в описании написано, что поддерживаются частоты FSB 1066/800/533 Мгц. А если посмотреть на список поддерживаемых процессоров на сайте производителя — там можно увидеть процессоры типа E8400 с шиной 1333 Мгц с поддержкой на последней версии BIOS.
Как это может быть?
Это хитрость — микропрограмма BIOS заставляет работать процессор 1333 Мгц на частоте 1066 Мгц. Ибо сам тактовый генератор в материнской плате физически не может работать на частоте 1333 Мгц, он не разрабатывался для этого.
Если в BIOS есть ошибки (а производитель там относительно честно пишет, что это версия BETA для процессоров на 1333 Мгц), то произойдет попытка переключения тактового генератора на частоту 1333 Мгц (как требует процессор) и …всё…. Совсем всё, материнскую плату можно будет выбросить.

Hyper-threading

(англ. hyper-threading — гиперпоточность, официальное название — hyper-threading technology, или HT) — технология, разработанная компанией Intel. HT реализует идею «одновременной мультипоточности». Фактически снижается время простоя процессора (например, из-за ожидания ответа от оперативной памяти). В реальности порядка +15% увеличивается быстродействие.

Процессор, поддерживающий технологию hyper-threading:

— может хранить состояние сразу двух потоков;
— содержит по одному набору регистров и по одному контроллеру прерываний (APIC) на каждый логический процессор.

Для операционной системы это выглядит как наличие двух логических процессоров (англ. logical processor). У каждого логического процессора имеется свой набор регистров и контроллер прерываний (APIC). Остальные элементы физического процессора являются общими для всех логических процессоров. Вот скан работы Pentium 4 3,2 Prescott

Core — одно ядро
Threads — два потока

Конечно, и материнская плата и операционная система должны это тоже поддерживать.

Степпинг процессора

Есть еще такой параметр. Степпинг (от англ. stepping пошаговое изменение) — процессоры непрерывно совершенствуются, производитель устраняет ошибки. Часто при незначительных изменениях меняется номер степпинга (то есть С0 на С1), а при более существенных изменениях меняется буква (то есть A2 на B0). Полная линейка выглядит так:
A0
A1
A2
B0
B1
B2
C0
C1
C2
D0
D1
D2
E0 и так далее.
Реально в полном виде не бывает.

Например, есть два процессора для socket 775
Intel Core 2 Duo E8400 C0 (исправлены часть ошибок)
Intel Core 2 Duo E8400 E0 (еще исправлено много ошибок)

Так вот — надо смотреть поддержку прошивками BIOS на сайте производителя материнской платы. Может вполне оказаться, что для процессора E8400 степпинг С0 поддерживается, а степпинг Е0 — не поддерживается и такой процессор на материнской плате не заработает…

Как узнать?
Смотрим на серию процессора, которая указана на его крышке и смотрим, например, здесь.
Вот нужная нам таблица
C0 (Q9HD, SLAPL)
E0 (QHEZ, QHGG, SLB9J)
Если на крышке указано, например, SLB9J — это степпинг Е0

Казалось бы — зачем такие сложности, через лупу что-то там рассматривать на крышке процессора? Можно и программно посмотреть, через Everest или CPU-Z. Да, можно — но будет уже не нужно. Над нужно знать всё про процессор ДО его установки в сокет на материнской плате, иначе можно потерять плату и/или процессор.

Кэш процессора

Это внутренняя память процессора, где хранятся промежуточные вычисления. Зачем это надо и почему его там три уровня L1, L2 и L3?

Кристалл процессора в разрезе.

Есть хорошее сравнение с офисной работой.

«Представьте клерка, который сидит за рабочим столом и просматривает документы в папках. Рабочий стол клерка – это кэш данных уровня L1. На нем находятся папки, с которыми он работает (строки кэша), просматривая каждую страницу (байт в строке кэша).

Шкаф, установленный в офисе, — кэш второго уровня L2. В нем хранятся папки, с которыми клерк завершил работу. Чтобы взять нужный файл из шкафа, к нему надо подойти и найти его в каталоге. Кроме того доступ к шкафу имеют и другие сотрудники, играющие роль ядер CPU. Очевидно, что работа с изъятием файлов из шкафа идет медленнее.

Еще больше файлов хранится в архиве, расположенном в подвале. Это кэш уровня L3. В архиве намного больше места, но быстро найти нужный файл уже не получится. Как бы плотно не располагались файлы в архиве, все они туда не поместятся. Основная часть бумаг хранится на складе, куда раз в день отправляется грузовик с неиспользуемыми файлами — это наша оперативная память.

Так почему же нельзя оставить один уровень кэша? Допустим, весь кэш хранится на уровне L1, и доступ к нему имеют все ядра CPU. Тогда, следуя нашей аналогии, вместо того, чтобы выделить каждому клерку по отдельному рабочему месту, мы сажаем всех сотрудников за один стометровый стол. Представьте, насколько оперативной будет их работа.

Таким образом, даже если сделать один большой кэш, совместно используемый всеми ядрами процессора, скорость его работы будет значительно ниже, чем кэш с многоуровневой структурой. Пусть она сложнее, но благодаря ей решается задача высокой производительности.»

Процессор физически не подключён напрямую к основной памяти. Все операции с оперативной памятью (загрузка и хранение) на современных процессорах выполняются через кеш.

Когда процессор занят командой вызова (загрузки), контроллер памяти сначала ищет в кеше запись с тегом, соответствующим адресу памяти, по которому ему нужно выполнить чтение. Если такая запись обнаруживается — то есть случается попадание в кеш, — то данные могут быть загружены напрямую из кеша. Если нет — промах кеша, — то контроллер попытается извлечь данные из более низких уровней кеша (например, сначала L1D, затем L2, затем L3) и, наконец, из оперативной памяти. Затем данные будут сохранены в L1, L2 и L3 (инклюзивный кеш).

С точки зрения задержки L1 на порядки быстрее, чем L2, который в 10 раз быстрее основной памяти.

Троттинг

Throttling — Снижение частоты работы процессора (пропуск тактов) с целью защиты от перегрева. Чем выше тепловая нагрузка на процессор, тем больше тактов он пропускает, таким образом не давая температуре подняться; однако при этом снижается эффективность и производительность. В большинстве центральных процессоров Intel защита этого типа срабатывает при повышении критической температуры Tcase до 70—105 °С. Критическая температура — это максимальная температура, допустимая в интегрированном теплораспределителе (IHS) процессора.

Параметр Tcase (англ. case temperature «температура корпуса») замеряется термодатчиком, расположенным в геометрическом центре крышки процессора.

Еще есть обозначение Tjmax = фактически Tcase max

Многофазное питание процессора.

На части материнских плат указано, что для процессора используется 3-х фазное / 6-ти фазное (и так далаее) питание. Что это такое — многофазное питание процессора?

На разъем питания процессора подается +12В, а сам процессор использует напряжение от 1,5В до 2,5в. Более того, для разных процессоров нужно разное напряжение питания.
Конечно, используется импульсный преобразователь напряжения.

Проблемы однофазного питания (только один преобразователь)
— максимальный ток ограничен на уровне ~30А из-за элементной базы (при 1,5В это 45Вт), что мало для современных процессоров
— достаточно высокий уровень импульсных помех (конечно, сглаживание конденсаторами есть, но оно недостаточное)

Поэтому применяются многофазные преобразователи, причем для сглаживания пульсаций делают сдвиг фаз по каждому преобразователю.

На картинке изображена работа 3-х фазного преобразователя. В целом обеспечивается более-менее сглаженное постоянное напряжение/ток на процессоре и сила тока до 100 А. Варианты материнских плат с 6-ти или 8-ми фазовым питанием — это уже с хорошим запасом по качеству электропитания (как правило, на таких платах разъем питания процессора 8 пин). В топовых платах с приставкой Deluxe может быть и 16-ти фазное питание процессора — т.е. идеальное постоянное напряжение без импульсных помех.

Совместимость процессора и материнской платы.

Проверять совместимость процессора и материнской платы надо ДО сборки комплектующих и включения питания. Иначе есть риск перейти в раздел Компьютер не включается. В особо тяжелых случаях придется что-то выбросить (или процессор или материнскую плату).

Если ПК аварийно выключается — «решение» принимает блок питания. скорее всего проблема электрическая, срабатывает защита или по току или по уровню напряжения.
Если ПК аварийно перезагружается — «решение» принимает ОС, тут и сбои системы, и информация от датчиков о перегреве (процессор или северный мост). Настройка в свойствах системы — «Отказ системы — выполнить автоматическую перезагрузку»

И еще чисто программная проблема. Если до этого стоял одноядерный процессор (Celeron D), то при установке Windows XP сконфиругирует свое ядро hal.dll под одноядерный процессор. Если Вы в качестве замены ставите Pentium 4 Prescott с технологией  HT — то в системе появляется процессор с двумя ядрами (правда, виртуальными). Система или не загрузится вообще или некорректно может отработать смену процессора. В принципе, Windows XP SP3 умеет менять ядро системы (под многоядерный процессор), но делает это не всегда корректно. Более ранние версии (SP1 и SP2) и этого не умеют.

Варианты решения:
а) в BIOS отключить технологию HT, будет нормальный однопроцессорный вариант (до первой загрузки ПК со свежеустановленным CPU)
б) переустановить Windows XP с нуля (на чистый отформатироанный диск)
в) восстановить Windows с установочного диска
г) заменить ядро операционной системы
подробнее здесь http://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html?id=188068

В реальности помогает только вариант а) и б). Скорее всего, еще как-то по разному ставятся драйвера к материнской плате для одно-  и многоядерных процессоров. И как Windows XP не восстанавливай с диска — система все равно валится в перезагрузку. Только чистая установка помогает.