|
|
|
|
Процессор
– выращенный по специальной технологии
кристалл кремния, который содержит в себе
множество отдельных элементов –
транзисторов. На
любом процессорном кристалле находятся: -
собственно
процессор, главное вычислительное
устройство, состоящее из миллионов
логических элементов – транзисторов -
сопроцессор
– специальный блок для операций с «плавающей
точкой», применяется для особо точных
расчетов, а также для работы с рядом
графических программ -
кэш-память
первого уровня – небольшая (несколько
десятков килобайт) сверхбыстрая память,
предназначенная для хранения
промежуточных результатов вычисления -
кэш-память
второго уровня – эта память чуть
медленнее, зато больше – от 128 до 512
килобайт Процессоры
фирмы Intel
8088/8086 Этот
процессор применялся фирмой IBM в своих
первых персональных компьютерах. Он имел
частоту 4.77 MHz. Процессоры работают внутри с
16-разрядными данными, однако, если CPU 8086 как
передает, так и принимает 16 бит данных, CPU 8088
при передаче ограничен только 8 битами. 80286 В
1984 году IBM представила другой свой
компьютер на базе новейшего тогда
процессора 80286. Этот CPU (Central Processing Unit)
обладал новым свойством: наряду с реальным
режимом, он мог также работать и в
защищенном режиме (смотрите оперативная
память), что явилось предпосылкой для
развития конкурирующих с DOS операционных
систем, в частности, Windows, а также прочих
программ, требующих наличие большего
количества памяти - 80286 мог обращаться к 16 Mb
физической и 1 Gb виртуальной памяти. Кроме
того, 80286 может работать на более высокой
частоте, чем 8086 - оригинальный процессор
имел частоту 6 или 8 MHz. До вымирания
компьютеров на базе этого CPU сердце
некоторых из них билось уже с частотой 20 MHz.
Надо отметить, что в середине 80-х годов
прошлого столетия этот процессор де-факто
стал символом мощного и продвинутого РС. 80386 Он
появился в 1986 году. Наиболее
распространенная частота - 33 MHz. В отличие от
CPU 286, который был 16-разрядным, 386-й процессор
является полностью 32-разрядным: он
обеспечивает 32-разрядные операции ввода/вывода
и 32-разрядную адресацию (что обеспечивает
адресацию до 4 Gb физической памяти и до 64 Gb
виртуальной. В виртуальном режиме
процессор может эмулировать несколько (до
256) CPU 8086, что позволяет запускать на одном
компьютере одновременно более одного
процесса, в том числе и более одной
операционной системы. Впервые появилось
такое понятие, как процессорный кэш. Кэш -
cache - это небольшая по объему область
сверхбыстрой (по сравнению с RAM) памяти,
которая хранит те данные, взятые из
оперативной памяти, которые процессор на
следующем цикле работе запросит скорее
всего. При обращении к системе памяти
сначала осуществляется поиск информации в
кэш-памяти, а в случае ее там отсутствия
происходит выборка данных из оперативной
памяти. Так как время доступа к кэшу
существенно меньше (он выполняется из
статистической памяти, которая не требует
регенерации), чем к системной RAM, применение
кэш-памяти позволяет существенно поднять
производительность системы. Существует
два вида, или уровня, кэш. Кэш-память первого
уровня (L1 cache) имеет объем в несколько
десятков или сотен Kb и служит для
согласования скорости работы процессора и
внешней кэш-памяти. Внешняя кэш-память
соответственно называются кэшем второго
уровня, или L2 cache, и, собственно, она и
отвечает за кэширование. Когда говорят о
кэш-памяти, как правило, имеют ввиду именно
L2 cache. Для эффективного кэширования
используются алгоритмы предсказания, так
что вероятность попадания в кэш достаточно
велика. Сам 386-й процессор не имеет внешнего
кэша, поэтому соответствующая микросхема
устанавливается на материнскую плату. Существует
две разновидности процессора 80386: 80386DX и
80386SX. Вторая представляет линейку 386-х
процессоров младшего класса - в отличие от
32-разрядного DX, SX имеет внешнюю 16-битную
разрядность, хотя внутри по прежнему
работает с 32 битами. Кроме того, у SX понижена
тактовая частота (от 16 до 25 MHz), поэтому 386SX
работает значительно медленнее своего
старшего брата.
80486 В
свое время был самым мощным процессором и
часто использовался в серверах и мощных
рабочих станциях. Не так давно он являлся
стандартом для высококлассных компьютеров.
Различия CPU 80486 и 80386 значительны. Во-первых,
новый процессор имел расширенный набор из
шести инструкций. В микросхему
интегрирован 8-килобайтный L1 кэш (предусматривается
установка L2 кэша на системную плату, хотя
его можно и не устанавливать, но от этого
пострадает производительность), но
основное новшество заключается в том, что
впервые, начиная с процессора 80486, в CPU стал
интегрироваться математический
сопроцессор, предназначенный для
выполнения арифметических вычислений с
плавающей точкой (FPU, Floating point Processing Unit, или NPU
Numeric Processing Unit), что существенно (чуть ли не в
два раза) ускоряет действия над дробными
числами. Предыдущие процессоры встроенного
сопроцессора не имели, и поэтому системные
платы под них имели дополнительное гнездо
для установки сопроцессора (опять же, в
ущерб производительности на нем можно было
сэкономить). Наконец, реализована так
называемая конвейеризация операций, то
есть каждая последующая команда начинает
выполняться сразу же после прохождения
конвейера предыдущей командой. Под
конвейером в данном случае понимается
такой метод обработки внутренних команд,
когда исполнение команды разбивается на
несколько ступеней (Stages) и каждой ступени
соответствует свой модуль в аппаратно-логической
структуре CPU. По очередному тактовому
импульсу каждая команда передвигается на
следующую ступень, при этом уже выполненная
команда покидает конвейер, а новая
поступает в него. 80586
(Pentium) Первый
586-й процессор был анонсирован Intel 22 марта 1993
г. Он разрабатывался под кодовым названием
P5 и должен был называться 80586, но фирма
снабдила его более симпатичным именем Pentium.
Pentium представляет собой 32-разрядный
процессор, построенный по субмикронной
технологии. Первые Pentium работали на
частотах 60 и 66 MHz и были рассчитаны на
напряжение питания 5 V. Частота процессора
определялась частотой материнской платы. В
марте 1994 года начался серийный выпуск Pentium
второго поколения. Первые экземпляры этих
процессоров работали на частоте 90 и 100 MHz,
затем частота была увеличена до 133, 150, 166 и,
наконец, 200 MHz. Напряжение питания
составляет 3.3 вольта. Pentium второго поколения
выпускается в в 320-контактном корпусе SPGA (Staggered
Pin Grid Array), который несовместим с корпусом CPU
Pentium первого поколения (273-контактный Pin Grid
Array, PGA). Процессоры Pentium второго поколения
используют умножение тактовой частоты, и
процессор работает быстрее, чем системная
плата, так как не существует материнских
плат под Pentium с частотой шины выше 66 MHz. Дальнейшие
усовершенствования в области
процессоростроения проявились фирмой Intel в
CPU Pentium третьего поколения. Они производятся
по CMOS-технологии, при которой используется
структура минимального размера 0.25
микрометра. Работают процессоры при
напряжении питния 2.9 и 2.5 V. Для установки
Pentium'а третьего поколения опять требуется
другое гнездо, которое, в отличие от SPGA,
имеет не 320, а 321 вывод (Socket 7). Это гнездо
также оборудовано модулем измерения
напряжения (VRM). Он легко заменяется, если
необходимо установить процессор,
рассчитанный на другое напряжение. В
процессоре Pentium получила дальнейшее
развитие конвейеризация вычислений. Во-первых,
увеличено до 5 количество ступеней в
конвейере; во-вторых, Pentium имеет два
конвейера, поэтому он называется
суперскалярным (superscalar) в отличие от
одноконвейерного (скалярного) CPU 80486. Таким
образом, одновременно может обрабатываться
две команды. В процессор интегрировано 16 Kb
кэша первого уровня, разделенного на две
области по 8 Kb для кэш-памяти команд и кэш-памяти
данных. Благодаря такому разделению
исключается наложение команд и данных.
Адресная шина осталась 32-битной, но зато
шина данных расширена до 64 бит. В
процессоре Pentium впервые появляется
предсказание переходов. Переход - это
изменение последовательности выполнения
команд в соответствии с алгоритмом
программного обеспечения. Согласно
статистике, переходы встречаются в среднем
через каждые 6 команд. Различают
безусловные переходы (типа GOTO), когда
управление передается по новому указанному
адресу, и условные (типа IF), когда изменяется
ход выполнения программы в зависимости от
результатов сравнения условные переходы
снижают общую производительность
процессора, так как в ожидании этого
перехода конвейер работает в холостую.
Поэтому имеется специальный буфер адресов
перехода, который хранит данные о последних
переходах. Путем применения специальных
алгоритмов предсказания переходов удается
с той или иной точностью предсказать
следующий переход, согласно которому и
ведутся дальнейшие вычисления, чтобы
процессор не простаивал, а потом, после
осуществления перехода, выдаются уже
готовые (или не совсем готовые, но уже
прошедшие некоторый путь по конвейеру)
результаты. Естественно, для обеспечения
оптимальной производительности переходы
должны предсказываться максимально точно,
иначе будет постоянно складываться
ситуация, когда после выполнения перехода
будет выясняться, что считалось совсем не
то, что нужно. Максимальная эффективность
предсказаний для CPU Pentium составляет
примерно 80%. В
феврале 1995 года Intel провела презентацию
первых рабочих образцов микропроцессора
80686 (Р6), носящий имя Pentium Pro, который явился
еще одним усовершенствованием архитектуры
процессоров семейства Pentium. В
Наконец, последним представителем семейства CPU под общим названием Pentium является микропроцессор Pentium MMX, появившийся 8 января 1997-го года. Технология MMX представляет собой одно из наиболее существенных улучшений в процессорной архитектуре, когда-либо производимых Intel. Процессор Pentium MMX имеет 57 дополнительных инструкций, ускоряющих выполнение мультимедийных операций, например работу графических и коммуникационных. В сопроцессорах Pentium MMX имеется 8 универсальных регистров по 80 битов каждый для операций над числами с плавающей точкой. При описании числа с плавающей точкой используется 64 бита для мантиссы и 16 бит для экспоненты. Команды MMX используют только 64-разрядную часть мантиссы каждого из регистров сопроцессора. Регистры сопроцессора могут содержать 8 упакованных байт, 4 упакованных 16-разрядных слова, два упакованных 32-разрядных слова или же одно 64-разрядное слово. Таким образом, данные мультимедиа, разрядность которых равна восьми, упаковывается в одно 64-разрядное слово, и над ним производится некоторое общее действие. Эта методика называется одиночной командой с множественными данными (Single Instruction Multiple Data, SIMD) и ориентирована на алгоритмы и типы данных, которые характерны для мультимедиа-приложений. Так как во времена процессоров Pentium такие приложения получили повсеместное распространение, то введение технологии MMX позволило существенно поднять производительность этих CPU. MMX поддерживают также и все последующие процессоры Intel и других фирм. Кроме того, быстродействие нового процессора повышено за счет вдвое большей кэш-памяти первого уровня (теперь ее объем составляет 32 Kb - по 16 Kb для команд и данных) и оптимизированной внутренней архитектуры. Увеличена на один шаг по сравнению с Pentium длина конвейера - теперь она составила 6 ступеней. Блок предсказаний был заимствован у Pentium Pro. Благодаря этим изменениям линия Pentium обрела второе дыхание - повышение производительности составляло до 50% по сравнению с обычным Pentium'ом. Процессор использует напряжение питания 3.3 V (внутренние схемы - 2.2 V) и предназначен для установки в стандартный для Pentium разъем Socket 7. Тактовые частоты могут быть равными 130, 150, 166, 200 и 233 MHz. На этом развитие процессоров Pentuim заканчивается, и Intel начинает работу над Pentium II. Pentium
II
Размер
кэша таков: 32 Kb (16+16 Kb) L1 и 512 Kb L2 кэша. В
отличие от CPU Pentium и Pentium PRO, у которых кэш-память
интегрирована в ядро, у Pentium II она выполнена
на процессорной плате. Важным является то,
что кэш второго уровня работает на половине
частоты процессора, а так как частота Pentium II
варьируется от 233 до 450 MHz, то и частота кэша
получается по сравнению с предыдущими
процессорами довольно внушительной.
Производительность повышается и за счет
использования выделенной 64-разрядной шины
кэш-памяти. Также повысилась внешняя
частота: теперь обмен с памятью ведется на
скорости 100 MHz. Еще одним нововведением
стала поддержка слота AGP. Для
масштабируемых систем обеспечивается
поддержка двух процессоров и до 64 Gb
физической памяти.
Pentium
III В
процессоре Pentium III реализованы новые
потоковые SIMD расширения (Streaming SIMD Extensions) - 70
новых команд SSE, обеспечивающих расширенные
возможности обработки изображений,
трехмерной графики, потокового видео и
аудио и т.д. При одинаковых частотах (Pentium III
работает на частотах от 450 до 1000 MHz) Pentium III
значительно опережает своего
предшественника в приложениях,
откомпилированных под SSE. В связи с тем, что
процессоры от Intel пользуются большой
популярностью, под SSE оптимизируются
практически все современные приложения.
Кэш и внешняя частота остались таким же, как
и у Pentium II. Процессор выпускается в похожем
на упаковку Pentium II картридже SECC II и
устанавливается в тот же Slot 1, но есть и
варианты для Socket-370 в корпусе FC-PGA (Flip-Chip PGA).
Существует также версия Pentium III Xeon для
серверов. Celeron Аналогично
процессорам 80386/486, Pentium II и III также имеют
своих младших братьев. Модельным рядом
предназначенных для систем стоимостью до
1000 долларов процессоров стала линейка CPU
класса Celeron. Первые Celeron'ы представляли
собой полную копию Pentium II с тем лишь
отличием, что у них внешняя частота равна 66
MHz, а объем кэша второго уровня понижен до 128
Kb. Надо отметить, что сначала в процессоре
вообще не предусматривалась кэш-память, но
из-за того, что производительность CPU падала
от этого гораздо быстрее, чем его цена, Intel
вскоре все-таки решила оснастить Celeron'ы
небольшим 128-килобайтным кэшем (тогда в
название добавляется суффикс А, например
Celeron 300A, но так как CPU Celeron без кэша было
выпущено немного, то, как правило, эту букву
опускают). Но, в отличие от Pentium II, у которого
множитель частоты кэш-памяти равнялся 1/2, у
Celeron'ов он работает на полной скорости
процессора, и эта добрая традиция
сохранилась и в дальнейшем. CPU Celeron можно
встретить в версии для Slot 1 (правда, без
картриджа, только плата), но чаще
встречается Socket'овый (Socket-370) вариант.
Несмотря на свою некоторую ущербность, CPU Celeron показывают весьма неплохую производительность - немногим ниже, чем Pentium. Особенно это касается Celeron'ов и Pentium'ов первого поколения, когда Celer'оны имели превосходство в скорости кэша. В следствие того, что CPU Celeron делаются на базе более быстрых процессоров Pentium, они очень хорошо гонятся, что несомненно является плюсом для любителей всевозможных разгонов. Учитывая куда более низкие по сравнению с Pentium цены на эти процессоры, Celeron с объективной точки зрения выглядит отнюдь не ущербным процессором, наоборот - он может стать наилучшим выбором, если требуется получить максимальную отдачу, заплатив как можно меньше денег. Однако с момента выхода Duron от AMD (см. ниже) позиции Celeron, а вместе с ним и Intel в области производства продуктов начального уровня сильно пошатнулись. Pentium
IV
Как
выразилась сама Intel, в новом процессоре
учитывается весь опыт фирмы в
конструировании микропроцессоров за все
время их производства. Конвейер выполнения
инструкций состоит из 20 ступеней.
Естественно, при таком длинном конвейере
для хорошей производительности необходима
высокая эффективность предсказания
вычислений. Intel заявляет, что в Pentium IV
значительно повысилась точность процесса
предсказания переходов за счет "комбинации
всех доступных на сегодня схем
предсказаний". По некоторым сведениям,
эффективность этого алгоритма в Pentium IV
достигла 95%. Еще одна новинка - кэш с
упорядочиванием инструкций. Его задачей
является хранение инструкций в том порядке,
в каком они исполняются. Другая новая
технология - Advanced Dynamic Execution. Так Intel называет
улучшенную версию механизма
суперскалярного внеочередного выполнения
инструкций, когда процессор переставляет
инструкции, нарушая их естественную
последовательность, с целью более плотной
загрузки исполнительных модулей. Этот
метод работы CPU призван минимизировать
задержки выполнения инструкций. В
Pentium IV блок целочисленных операций работает
на удвоенной скорости относительно
скорости процессора - то есть, в случае с
полуторагигагерцовым чипом, скорость
работы его целочисленного модуля составлит
3 GHz. Правда, это результирующая частота - на
самом деле скорость остается неизменной,
просто этот блок умеет выполнять
вычисления не за полный такт, а за его
половину. У Pentium IV два модуля для операции с
целыми числами, поэтому, соответственно,
процессор может выполнять до 4-х операции с
целыми числами за один такт. Правда, с
числами с плавающей точкой CPU работает в
несколько раз медленней. Однако Intel
обеспечила свой процессор новым SIMD-набором
инструкций SSE2 (всего 144 новых инструкции),
что, если программное обеспечение будет по-прежнему
оптимизироваться под Intel'овские процессоры,
даст очень существенную прибавку в
скорости выполнения сложных
математических расчетов. Процессор
устанавливается в 423-контактный разъем
Socket-423. Сильным конкурентом Pentium IV служат
последние процессоры от AMD, которые, обладая
в целом не худшим быстродействием, выгодно
отличаются по цене. Однако Intel, несомненно,
будет прилагать все усилия для того, чтобы
обогнать своего соперника в лице AMD. К тому
же системы на базе Pentium IV сейчас показывают
весьма хорошую производительность, и
нельзя сказать, даже с учетом соотношения
цена/качество, что платформы от AMD-VIA
однозначно могут быть лучше Intel'овских
систем. Процессоры
фирмы VIA
Фирма VIA не стремиться зарабатывать на производстве процессоров, так как ее приоритетная задача заключается в разработке чипсетов. Однако у VIA все же есть своя линейка процессоров, и она заслуживает нашего внимания. Процессоры носят общее название Cyrix и различаются рабочими частотами (в начале 2001 г. уже были процессоры с частотой больше 600 MHz). Процессор Cyrix имеет 64-килобайтные кэши команд и данных. Это может показаться много и очень прилично, но зато L2 кэш отсутствует полностью, и это не замедлит сказаться на производительности. Частота шины - 100 и 133 MHz. CPU устанавливаются в слот Socket-370, таким образом, их можно использовать с обычными материнскими платами под Pentium II/III. По производительности CPU Cyrix сильно уступают даже процессорам Celeron, работающим на более низких частотах. Зато и цена у них ниже чуть ли не в 2-3 раза.
Компания
AMD, основанная в 1969 году в Саннивейле в
К
|
отличие
от обыкновенного Pentium, CPU Pentium Pro имеет уже не
пять, а четырнадцать ступеней при
конвейерной обработке, а количество самих
конвейеров увеличилось до трех.
Применяются статистический и динамический
методы предсказания переходов, что
повышает их эффективность до 90%. Впервые
При
конструировании очередного CPU фирма решила
не отказываться от уже раскрученной марки
Pentium, пользующейся очень широкой
известностью. В процессоре Pentium II Intel
использовала новую технологию корпусов -
картридж с односторонним контактом (Single Edge
Contact, SEC) в виде прямоугольного футляра, в
который помещается сам процессор. Картридж
устанавливается в 242-контактный разъем,
называемый Slot 1 и внешне похожий на слоты
памяти. На картридже имеется специальная
теплоотводная пластина, к которой
присоединяется радиатор с вентилятором.
Конвейерный
блок вычислений с плавающей запятой (FPU)
поддерживает 32- и 64-разрядные форматы
данных, а также 80-битный формат (конвейер
был заимствован у Pentium Pro). Технология
множественного предсказания ветвлений
предсказывает направления в ветвлении
программы, увеличивая эффективность
загрузки процессора. В результате анализа
зависимости инструкций друг от друга
процессор разрабатывает оптимизированный
график их выполнения. Добавлено 57 новых
инструкций и четыре новых типа данных (естественно,
осталась и поддержка технологии MMX™
и прочие элементы оптимизации,
присутствующие в предыдущих поколениях CPU).
Имеется серверная версия CPU Pentium II Xeon,
которая имеет до 2-х Mb кеша, а также
поддерживается одновременное
использование до восьми процессоров.
Второй
вариант Celeron'а аналогичен первому, только
отличия от Pentium'а параллельно сдвинулись
вверх. То есть теперь основой служит Pentium III
на ядре Coppermine, а не Pentum II, а частота шины
стала равной 100 MHz. А что касается кэш-памяти,
то тут ничего не изменилось, так как менять
здесь вроде бы особо и нечего. В отличие от
Celeron первого поколения, новые процессоры
Celeron встречаются только под Socket-370. 
Начало
2000-го года оказалось, мягко говоря, не очень
удачным для Intel. Фирма AMD уже выпустила
процессоры Athlon с частотами более гигагерца,
тем самым опередив фирму во взятии этого
заветного рубежа, а старенький Pentium III еле-еле
смог дотянуть до него, но дальше дело, как
говорится, не пошло. Опасаясь потерять
мировое лидерство