Главная / Содержание / Процессоры. Часть 1.
Процессоры.
Набор команд процессора
Разобравшись с технологиями оперативной памяти,
сегодня мы начинаем изучать с Вами еще один важнейший компонент компьютера -
процессор. Давайте в первую очередь определимся, чем можно характеризовать
некий процессор.
Пожалуй, важнейший параметр процессора - набор команд,
который он умеет исполнять. Разумеется, все процессоры, на базе которых
строится PC - совместимый компьютер, должны уметь исполнять одинаковый набор
команд. Напомню, что компьютерная программы - не что иное, как
последовательность некоторых команд, и, естественно, каждую из этих команд
должен уметь исполнить процессор. Процессоры, на базе которых строятся другие
(не PC) компьютеры, исполняют свои, совсем другие наборы команд. Как называют
тот набор команд, который исполняет PC? Для того чтобы ответить на этот вопрос,
нам придется немного заглянуть в историю.
В июне 1978 года, уже упоминавшаяся нами фирма Intel
выпустила процессор, который назвала i8086, который (точнее его близкого
наследника) IBM и применила в своих первых PC. Затем Intel выпустила процессор
i80186, который обладал повышенной производительностью. В феврале 1982 выходит
новый процессор i80286, обладающий рядом нововведений, относительно предыдущих
процессоров и имеющий снова более высокую производительность, но при этом, само
собой разумеется, совместимый по командам с прошлыми процессорами. В июне 1988
появляется новое поколение процессоров фирмы Intel, и эти процессоры
маркируются i80386. Наконец в 1991 выходит процессор i80486, обладающий еще
более высокой производительностью. Естественно, все перечисленные процессоры,
устанавливавшиеся в PC, умели выполнять одинаковый набор команд, иначе они не
были бы совместимы между собой программно (т.е. программы, запускающиеся на
одном процессоре, не запускались бы на другом). А набор команд, исполняемый
всеми этими процессорами, принято называть по серии, которой нумеровались
выходившие процессоры. Такой набор команд принято называть х86 . Таким
образом, процессоры, устанавливаемые в PC, называют х86 - процессорами, а саму
архитектуру PC нередко называют х86 - архитектурой.
Помимо такой важнейшей архитектурной особенности, как
набор команд, процессор, разумеется характеризуют быстродействием. В каких
единицах приято измерять быстродействие процессора? Этот вопрос не имеет
однозначного ответа. Быстродействие зависит от разных факторов, и мы сейчас
рассмотри эти факторы.
Элементы архитектуры
процессора
Тактовая частота
Быстродействие процессора во многом зависит от тактовой
частоты, обычно измеряемое в мегагерцах (МГц). Тактовая частота определяется
параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца в
оловянной оболочке. Под воздействие электрического напряжения в кристалле
кварца возникают колебания электрического тока с частой, определяемой формой и
размерами кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой
частотой. Наименьшей единицей времени для процессора, как для логического
устройства является период тактовой частоты или просто такт. На каждую операцию
(выполнение команды) процессор затрачивает некоторое количество тактов.
Естественно, чем выше тактовая частота процессора, тем производительнее он
работает, так как в единицу времени происходит большее количество татов и выполняется
большее количество команд. Естественно, более новые процессоры работают на все
более высоких тактовых частотах (это достигается, в частности, улучшением
технологии их изготовления) показываю большую производительность.
Но тактовая частота не единственный фактор,
определяющий производительность процессора. Ведь количество тактов,
затрачиваемое на выполнение команд тоже можно менять. И если первые х86
процессоры на выполнение одной команды тратили в среднем около 12 тактов, в 286
и 386 этот показатель в среднем составлял около 4,5 тактов, в 486 - около 2
тактов, то в современных процессорах в среднем выполняется одна команда за такт
(процессор Pentium) и даже несколько (около 3-х) в процессорах семейства
Pentium !!! (за счет параллельного исполнения команд).
Различное количество тактов, затрачиваемое
процессорами на выполнение команд, затрудняет их сравнение с использованием
только лишь тактовой частоты.
Следует понимать, что чем меньше тактов затрачивает в
среднем процессор на исполнение команды, тем выше его эффективность даже при
неизменной тактовой частоте. Например: 486 процессор (в среднем 2 такта на
команду) на частоте 133 МГц работает даже медленнее, чем процессор Pentium (в
среднем 1 такт на команду) на частоте 75МГц. Оценивать реальную производительность
процессора в сравнении с другими весьма непросто, и нужно понимать, что такое
сравнение во многом зависит от той задачи, которую процессор решает.
Перечисленные выше характеристики во многом отражают
эффективность процессора. Но есть еще целый ряд характеристик, описывающих
внутреннюю архитектуру процессора, и сейчас мы рассмотри некоторые важнейшие из
них.
Шина данных процессора
Одной из самых общих характеристик процессора является
разрядность его шины данных и шины адреса. (Вспомните, что такое шина).
Когда говорят о шине процессора, обычно имеют ввиду
шину данных, которая является набором соединений, для передачи и приема данных.
Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных по ней
передается за определенный интервал времени, и тем быстрее она работает.
Разрядность шины данных подобна количеству полос автомагистрали - чем больше
полос, тем больше поток машин, чем шире шина данных, тем больше данных за одинаковые
промежутки времени по ней передается. В процессоре 286 для приема и передачи
двоичных данных используется 16 соединений, поэтому их шина данных считается
16-разрядной. У 32-х разрядных процессоров (например, 486), таких соединений
вдвое больше, поэтому за единицу времени они передают и получают вдвое больше
данных, чем 16-и разрядные процессоры - разумеется, эффективность выше.
Современный процессоры (Pentium и более современные) имеют 64-х разрядную шину
данных, поэтому они могут передавать в системную память по 64 бита за один
такт.
Разрядность шины данных процессора определяет также
разрядность банка памяти (вспомните, что такое банк памяти). Это значит, что,
например, 32-х разрядный процессор (например, 486) считывает из памяти и
записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium и выше
считывают и записывают при операциях с памятью 64 бита одновременно. Поскольку
разрядность стандартного модуля SIMM 72 pin равна 32 битам, то в системы на
базе 486 процессоров можно устанавливать по одному модулю SIMM 72 pin, а в
Pentium системы - по два таких модуля или один модуль DIMM 168 pin, у которого
ширина шины равна 64 бита. Таким образом мы определили, с помощью какой шины
процессор связан с оперативной памятью и от разрядности этой шины конечно же
зависит производительность процессора. Теперь давайте разберемся, как процессор
обрабатывает полученные из оперативной памяти данные.
Внутренняя шина и регистры процессора
Хоть процессор и получает данные из оперативной памяти
с помощью шины некоторой ширины, это не значит, что внутри он может
обрабатывать данные такой же разрядности. Давайте разберемся, как это
происходит.
Количество битов данных, которые может обработать
процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров.
Регистр - это по существу ячейка памяти внутри процессора, например, процессор
может складывать числа, записанные в двух разных регистрах, а результат
записывать в третий регистр. Разрядность регистров описывает разрядность
обрабатываемых процессором данных. Разрядность регистров определяет также
характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых процессором.
Например, процессоры с 32-разрядными внутренними регистрами могут выполнять
32-разрядные команды, которые обрабатывают данные 32-разрядными порциями, а
процессоры с 16-разрядными регистрами этого делать не могут. Во всех
современных процессорах внутренние регистры являются 32-разрядными.
В некоторых процессорах разрядность внутренней шины
данных (а шина состоит из линий передачи данных и регистров), больше, чем
разрядность внешней шины данных, той, которую мы с Вами уже обсуждали (которая
связывает процессор с оперативной памятью). Обычно такие процессоры являются
более дешевыми вариантами своих старших собратьев. Такая архитектура (внутренняя
шина и регистры вдвое шире внешней) позволяет проектировать и создавать,
например, недорогие 16-разрядные материнские платы, устанавливая в них
32-разрядные процессоры, обеспечивая таким образом 32-разрядную совместимость
процессора при 16 разрядном обмене с памятью. Но такой способ удешевления
системы остался в прошлом и в настоящее время совершенно не применяется.
В современных процессорах все обстоит наоборот:
внешняя шина данных, как мы уже говорили, 64-разрядная, а регистры и внутренняя
шина процессора по-прежнему 32-разрядны. Странная ситуация, не правда ли? Но
странной она кажется лишь до того момента, как мы узнаем, что в современном
процессоре (например, Pentium) для обработки информации, поступающей по внешней
64-разрядной шине данных, существует два обрабатывающих ее (информацию)
32-разрядных блока, называемых конвейерами. Такой процессор напоминает два
объединенных в одном корпусе 32-разрядных процессора, а 64-разрядная внешняя
шина данных позволяет быстрее наполнить регистры процессора. Такая архитектура,
применяющая для обработки поступивших данных несколько конвейеров, называется
суперскалярной и применяется сегодня во всех современных процессорах
Шина адреса
Шина данных представляет собой набор проводников, по
которым передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются
данные. По каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной
цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов шины) используемых
для формирования адреса, позволяет увеличить количество адресуемых ячеек.
Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой
процессором. В компьютерах применяется, как Вы знаете, двоичная системы
счисления. Если, например, разрядность шины адреса составила бы всего один бит
(один провод для передачи данных), то по этому проводу можно было бы передать
всего два значения (логический нуль - нет напряжения, логическая единица - есть
напряжение) и таким образом можно было бы адресоваться к двум ячейкам памяти.
Такой бы процессор поддерживал обмен только с двумя байтами оперативной памяти!
Использование двух бит для задания адреса позволило бы адресоваться уже к 4-м
байтам памяти (00, 01, 10, 11 на шине - на четыре разных адреса можно указать).
Вообще, количество разных значений, принимаемое n-разрядным двоичным числом
равно 2 в степени n. Соответственно, при ширине шины адреса n бит, количество
разных ячеек памяти, к которым можно адресоваться составляет 2 в степени n,
поэтому говорят, что процессор поддерживает 2 в степени n байт оперативной
памяти, или говорят, что адресное пространство процессора равно 2 в степени n
байт. Например: процессор 8086 имел адресную шину 20 бит. Тогда он мог
адресовать {2 в степени 20=1048576} байт оперативной памяти, т.е. 1 Мбайт.
Таким образом, максимальный объем оперативной памяти, поддерживаемой
процессором 8086 составляет 1 Мбайт. 286-ой процессор имел адресную шину равную
24 битам, адресуя таким образом уже 16 Мбайт (обратите внимание: каждый новый
бит в шине адреса, увеличивает объем адресуемой памяти вдвое, это естественно,
если вспомнить формулу Объем памяти = 2 в степени разрядность шины).
Современные процессоры имеют адресную шину равной 36 бит, что соответствует
поддерживаемой оперативной памяти объемом 64 Гбайт!
Шины данных и адреса независимы, и разработчики
микросхем выбирают их разрядность по своему усмотрению. Разрядность этих шин
является показателем возможностей процессора: разрядность шины данных
определяет возможности процессора быстро обмениваться информацией, разрядность
адресной шины определяет объем поддерживаемой процессором памяти.
Динамическое исполнение
Динамическое исполнение - совокупность трех методов
обработки информации в процессоре, таких как: Предсказание ветвлений, анализ
потока команд, упреждающее выполнение. Динамическое выполнение - важнейшее
архитектурное преимущество современных процессоров, оказывает серьезное влияние
на производительность. Давайте вкратце рассмотрим, что такое динамическое
выполнение.
Предсказание ветвлений
С помощью этого метода можно выяснить, каким будет
поток управления программы через несколько команд ветвления. При использовании
специального механизма процессор может предсказать переходы или ветвления в
потоке команд. Это возможно потому, что процессор просматривает те команды,
которые следуют далее в программе за текущей, т.е. несколько
"забегает" вперед.
Анализ потока команд
Это средство анализирует и планирует выполнение команд
в оптимальной последовательности, независимо от их первоначального порядка в
программе. Процессор рассматривает команды, из которых состоит выполняемая
программа, и определяет, доступны ли они для обработки или же зависят от других
команд, которые следует выполнить предварительно. Затем процессор определяет
оптимальную последовательность обработки и выполняет команды наиболее
эффективным способом.
Упреждающее выполнение
С помощью этого метода процессор просматривает стоящие
на очереди команды и выполняет те из них, к которым вероятно потребуется обратиться
позже. Таким образом ряд команд процессор может выполнить заранее, а затем
пользоваться результатами произведенных вычислений позже.
Давайте разберем еще несколько важнейших вещей
связанных с процессорами, прежде чем начнем изучать те процессоры, которые
представлены на рынке.
Элементы архитектуры процессора. Часть II
Сопроцессор
Набор команд х86, который мы с Вами уже обсуждали,
имеет следующую особенность - он ориентирован на работу с целыми числами. Как
быть, если процессору нужно извлечь квадратный корень, найти синус или
логарифм? Естественно, что процессор может справиться с такой задачей, но,
учитывая то, что он ориентирован на вычисления с целыми числами, выполнение
такой операции займет у него много тактов.
В то же время Intel для все своих процессоров
разрабатывает так называемый сопроцессор - кристалл, который тоже умеет
выполнять команды, но не х86, а другие, и поддерживаемый сопроцессором набор
команд (называемый х87) ориентирован на работу с числами с плавающей запятой,
таким образом, он (сопроцессор) перечисленные выше задачи как раз и призван
решать. На заре развития PC считалось, что сопроцессор нужен небольшому
количеству пользователей (действительно, зачем пользователю текстового
редактора математические вычисления) и устанавливался в систему дополнительно;
при желании пользователь мог отдельно приобрести сопроцессор и установить его в
специальное гнездо на материнской плате. Сегодня ситуация полностью изменилась.
Сегодня сопроцессор нужен абсолютно всем пользователям: "в наш век
мультимедиа" когда компьютер все больше и больше способен обрабатывать
реалистичную 3-х мерную графику, математические расчеты становятся неотъемлемым
атрибутом любого мультимедиа приложения (например, современной игры). Поэтому
достаточно давно сопроцессор стали устанавливать вместе с процессором на один
кристалл. Действительно, раз сопроцессор все равно нужен всем пользователям, то
его разумно встроить в процессор, а не изготавливать отдельно: разумеется, это
будет дешевле.
Таким образом, современный процессор поддерживает два
основных набора команд: х86 и х87. Могут ли производители процессоров
отказаться от этих наборов команд? Нет! Тогда получившаяся система уже не будет
программно совместима с PC, так как программное обеспечение, написанное для PC
на таком процессоре, уже не будет работать! Поддержка этих двух наборов команд
- залог программной совместимости. А могут ли производители процессоров
создавать и добавлять в процессор новые наборы команд? Конечно. Но что нужно
для того, чтобы программы стали работать эффективнее на процессоре с новым
набором команд? Будет ли у старого приложения, которое проектировали еще до
разработки нового набора команд какие-то преимущества от исполнения на
процессоре с новым набором команд? Нет! Ведь программа - это не что иное, как
последовательность команд процессору. Если в программе нет ни одной новой
команды (а откуда ей там взяться, если в момент написания программы новых
команд еще не придумали), то естественно никакой пользы из того, что процессор
может исполнять новые команды, старое приложение не извлечет. Поэтому, когда в
процессор добавляют новый набор команд, нужно понимать, что пока разработчики
программного обеспечения не начнут писать программы с учетом нового набора
команд НИКАКОЙ пользы от него не будет. А старым программам от нового набора
команд уже никогда не будет пользы (разве что авторы перепишут старую программу
с учетом нового набора команд).
Кэш - память
К важнейшим параметрам процессора относится так
называемая кэш-память. Представим себе, как происходит обмен информацией между
процессором и памятью. Вы уже знаете, что оперативная память современного
компьютера - SDRAM работает на частоте максимум 133 МГц. Современный процессор
работает на частотах до 1,5 ГГц. Естественно, что при обмене с памятью
процессор достаточно долгое время будет ждать прихода новых порций данных и
таким образом простаивать. Для того чтобы этого избежать, между памятью и
процессором устанавливают дополнительно небольшой объем очень быстрой памяти,
работающей без задержек на частоте процессора. Такая память и называется кэш -
память. В современном процессоре встроено некоторое количество такой памяти (32
- 128 Кб) и эта память обеспечивает отсутствие простоев процессора при
операциях с оперативной памятью. Та кэш - память, которая установлена
непосредственно в кристалле процессора, называется кэш - памятью первого уровня
(или L1, Level1).
В современной системе используется так же и кэш -
память второго уровня L2, устанавливаемая либо на материнской плате, либо тоже
в ядре процессора. Более подробно о том, что выгоднее - кэш L2 внутри
процессора или на материнской плате, и как от количества кэша зависит
производительность системы, мы еще неоднократно поговорим.
Технология изготовления
Под технологией изготовления понимают размер элементов
в кристалле процессора. Когда о процессоре говорят, что он изготовлен с помощью
определенного технологического процесса, например 0,25 мкм, то имеют ввиду, что
размер одного отдельно взятого транзистора в кристалле процессора равен 0,25 мкм.
В чем преимущество использования более мелкого технологического процесса? Таких
преимуществ целый ряд.
Во-первых, чем мельче технология, тем меньшую площадь
занимает ядро процессора и тем больше самих кристаллов может изготовить
производитель из одной кремниевой пластины. Т.е., процессор, изготовленный по
более мелкой технологии, имеет низшую себестоимость, чем процессор,
изготовленный с применением более крупного техпроцесса и, таким образом, его
розничная цена для пользователя будет ниже. Но этим не ограничиваются
достоинства мелких техпроцессов. Далее, процессор, сделанный по более мелкой
технологии, может работать на более высоких частотах (если вы изучали физику,
то понимаете почему, если нет - придется верить на слово :)). Стало быть, рост
частоты процессора возможен только в рамках существующего техпроцесса, затем
нужно переходить на новый, более мелкий. И это еще не все. Чем мельче элементы
процессора, тем меньшего напряжения питания требует кристалл.
Ну и что, скажете Вы? Какое пользователю до этого
дело? Чем меньше напряжение питания процессора, тем меньше мощности он
потребляет и соответственно меньше тепла выделяет. А потребление мощности
современного процессора достаточно высоко, особенно на больших частотах, и
процессор, потребляя, нередко как половина электрической лампочки, так же
неслабо как лампочка и греется. Соответственно, чем меньше питание, тем меньше
процессор потребляет электрической энергии и тем меньше греется. А это в свою
очередь еще один фактор, позволяющий увеличивать частоту процессора. Ведь чем
меньше процессор греется, тем на более высокой частоте его можно использовать,
и он не будет перегреваться. В общем, важность вопроса о техпроцессе, с помощью
которого изготовлен процессор, трудно переоценить.
Частота и множитель процессора
Вы наверняка знаете, что современный процессор
работает сегодня на частотах порядка сотен МГц, а некоторые модели и на
частотах более 1 ГГц. С другой стороны мы говорили, что оперативная память
работает на сегодня на максимальной частоте равной 133 МГц. Более того, не
только оперативная память, но и чипсет работает на такой, невысокой
относительно процессора, частоте. Т.е. можно сказать, что и системная шина,
связывающая компоненты материнской платы имеет сегодня максимальную частоту
равную 133 МГц. На материнской плате вообще нет компонентов, которые работали
бы быстрее, чем системная шина и чипсет (точнее его северный мост). Впрочем,
это и не удивительно. Предположим, что в современную материнскую плату можно
установить процессоры с частотами от 350 МГц до 1 ГГц.
Для того, чтобы, имея систему с 350 МГц процессором,
улучшить ее до 1 ГГц, в нам достаточно лишь заменить процессор (естественно,
учитывая при этом целый ряд факторов, но обо всем этом мы поговорим позже,
давайте пока рассуждать упрощенно). Итак, вы извлекаете из процессорного гнезда
350 МГц процессор и устанавливаете 1ГГц. Вопрос: а материнская плата работает с
новым процессором в прежнем режиме, в том же, в котором она работала и с
процессором 350МГц? Если плата теперь работает втрое быстрее, то спрашивается:
если для того, чтобы ускорить процессор его нужно заменить, значит, чтобы
ускорить во столько же раз материнскую плату ее, наверное, тоже нужно заменить
на втрое более производительную? Т.е. простой заменой процессора систему нельзя
улучшить? Нужно заменять материнскую плату, на новой плате должен быть другой,
способный работать на утроенной частоте чипсет, нужно заменить и оперативную
память? Если бы все было так, как мы сейчас описали, то компьютер вообще бы
практически не подлежал бы улучшению (upgrade), а можно было бы лишь заменить
его практически целиком.
Но это не так. Еще раз напомню, что предел скорости
оперативной памяти сегодня - 133 МГц, и максимальная частота, на которой
работает чипсет, тоже составляет 133 МГц. Тогда возникает главный вопрос: каким
образом в ОДНОЙ И ТОЙ ЖЕ материнской плате могут работать и 350 МГц и 1 ГГц
процессора? Если частота системной шины никогда не превышает 133 МГц, как
процессор работает на более высокой частоте? Ответ кроется в том, что процессор
НЕ работает на частоте системной шины (на этой частоте работает вся материнская
плата, чипсет, память, но не процессор). Процессор лишь использует для своей
работы частоту системной шины. Дело в том, что процессор УМНОЖАЕТ эту частоту
на некоторый множитель, таким образом получая результирующую частоту, на
которой и работает. Например: Процессор, работающий на частоте 733 МГц
использует системную шину на частоте 13 МГц, умножая ее на 5.5, а процессор,
работающий на частоте 1000 МГц (1 ГГц) использует ту же частоту системной шины,
умножая ее на 7.5.
Таким образом, в одну и ту же материнскую плату можно
вставить различные процессоры, работающие на разных частотах за счет того, что
частота системной шины используется одна и та же (или меньше, например: 350 МГц
процессора = 100 МГц системной шины х 3.5), а процессор производит в себе
умножение частоты поданной на него системной шины на некоторый, закрепленный в
конкретном процессоре, множитель. Еще один важнейший момент. Какая система
быстрее? Процессор 1 ГГц = 133 МГц х 7.5 или 1 ГГц = 100 МГц х 10? Иными
словами, влияет ли частота системной шины на производительность системы при
неизменной частоте процессора? Естественно влияет. Разумеется, компьютер, у
которого системная шина работает на частоте 133 МГц, при прочих равных условиях
будет работать быстрее системы с тем же процессором, но на частоте системной
шины 100 МГц. Ведь и память, и прочие компоненты предпочтительнее использовать
на более высокой частоте (естественно, если это позволяет их спецификация, если
они, иными словами, для такой частоты предназначены). Т.е. компьютер
производительнее не только потому, что в нем установлен более быстродействующий
процессор; производительность так же зависит и от частоты системной шины, на
которой, в свою очередь, работает оперативная память. Важное замечание:
естественно, производители чипсетов (а именно от чипсета зависит, какую частоту
системной шины поддерживает материнская плата, от чипсета почти все зависит :))
постоянно стремятся увеличить частоту системной шины, поддерживаемую их
продуктами, так как даже при очень быстром процессоре система не может быстрее
обмениваться данными с памятью, чем позволяет системная шина и это ограничивает
производительность всей системы. И, изучая с Вами в ближайшее время чипсеты, мы
увидим, какое значение придается поддержке в сегодняшнем чипсете максимально
возможной частоте системной шины и типу поддерживаемой памяти, так как, в
конечном счете, борьба за быструю системную шины - это во многом борьба за
ускорение обмена память - процессор.
Режимы работы процессора
Все 32-разрядные и более поздние процессоры Intel,
начиная с 386, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы
процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных
режимах работы возможности чипа не одинаковы, потому, что команды выполняются
по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления
памятью системы и задачами.
Процессоры могут работать в трех режимах: реальном,
защищенном и виртуальном реальном режиме (реальном внутри защишенного).
Реальный режим
В первоначальном IBM PC использовался процессор 8088,
который мог выполнять 16-разрядные команды, используя 16-разрядные внутренние
регистры и адресовать только 1 Мб памяти, используя 20-и разрядную шину адреса.
Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого
процессора, оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели
памяти, объемом 1 Мб. Например DOS, все программное обеспечение DOS написано в
расчете на 16-разрядные команды.
Более поздние процессоры, например 286, могли также
выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный 8088, но
намного быстрее. Другими словами процессор 286 был полностью совместим с первоначальным
8088. 16-разрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и
80286 был назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в реальном
режиме, должны использовать только 16-разрядные команды и 20-разрядный адрес.
Для программного обеспечения такого типа используется однозадачный режим, т.е.
одновременно должна выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной
защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти, занятых одной программой или
даже самой операционной системой, другими программами: это означает, что при
выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной
из программ, что может привести к остановке системы.
Защищенный режим
Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для
PC, был 386-ой. Этот чип мог выполнять абсолютно новую 32-разрядную систему
команд. Для того чтобы полностью использовать преимущество этой новой системы
команд, были необходимы 32-разрядная операционная система и 32-разрядные
приложения. Этот новый режим называли защищенным, так как выполняющиеся в нем
программы защищены от перезаписи используемых ими областей памяти другими
программами.
Такая защита делает систему более надежной, так как
уже ни одна программа с ошибками не сможет повредить другие программы или
операционную систему. Зная, что разработка новых операционных систем и
приложений, использующих преимущество 32-разрядного защищенного режима, займет
некоторое время, Intel предусмотрела в процессоре 386 обратно совместимый
реальный режим. Благодаря этому процессор 386 мог выполнять обычные
16-разрядные приложения и операционные системы. Причем они выполнялись намного
быстрее, чем на любом процессоре предыдущего поколения. Для большинства
пользователей этого было достаточно: они не востребовали 32-разрядные системы и
приложения и довольствовались тем, что уже имеющиеся у них 16-разрядные
программы работали быстрее. К сожалению, из-за этого 386 процессор так никогда
и не использовался в защищенном режиме, и, стало быть, все преимущества такого
режима терялись. Когда современный высокопроизводительный процессор работает в
реальном режиме, то он напоминает чудовищно ускоренный 8088! Т.е процессор
может хоть и с огромной (по сравнению с оригинальным 8088) скоростью, но все же
выполнять только 16-разрядные приложения и адресоваться только к памяти
размером 1 Мб, с которой мог работать 8088. Поэтому были необходимы новые
операционные системы и новые приложения, которые могли бы на современных
процессорах выполняться в защищенном 32-разрядном режиме. Однако пользователи
сопротивлялись всем попыткам перехода к 32-разрядной среде. Для них это
означало, что нужно, по крайней мере частично, отказываться от старого
программного обеспечения, а пользователю это не подходило. Только в августе
1995 года (спустя 10 лет после выхода первого 32-разрядного процессора) наконец
появилась первая пользовательская 32-разрядная операционная система Windows 95,
да и то, пользователи приняли ее во многом потому, что она частично
16-разрядная и поэтому без труда исполняет как новые 32-разрядные программы,
так и старые, 16-разрядные. Именно для такой обратной совместимости Windows 95
использовала третий режим процессора:
Виртуальный реальный режим
Виртуальный реальный, по существу, является режимом
выполнения 16-разрядной среды (реальный режим), который реализован внутри
32-разрядного защищенного режима. Выполняя команды в окне DOS в Windows 95/98,
вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим
является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов
реального режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение
выполняется на собственном виртуальном компьютере. И все эти приложения могут
выполняться одновременно, даже во время выполнения других 32-разрядных
программ. Следует обратить внимание на то, что любая программа, выполняющаяся в
виртуальном реальном режиме, может обращаться к памяти, объемом до 1 Мб, причем
для каждой такой программы это будет как бы первый и единственный мегабайт
памяти в системе. Виртуальное реальное окно полностью имитирует среду
процессора 8088и если не учитывать быстродействие, программное обеспечение в
виртуальном реальном режиме выполняется так, как выполнялось бы на самых первых
PC в реальном режиме. При запуске каждого 16-разрядного приложения Windows
95/98 создает так называемую виртуальную машину DOS, выдает ей 1 Мб памяти и на
этой машине 16-разрядное приложение выполняется. Следует обратить внимание на
то, что все процессоры при включении начинают работать в реальном режиме, и
только при старте 32-разрядной операционной системы происходит переключение в
32-разрядный режим.
Так же следует отметить, что не любое 16-разрядное
приложение будет корректно работать в виртуальном реальном режиме. Например,
диагностические программы для обслуживание аппаратного обеспечения делают вещи,
не предусмотренные в виртуальном реальном режиме (в первую очередь пытаются
напрямую работать с аппаратурой). Такие программы нельзя запускать из Windows
95/98, для запуска таких программ необходимо стартовать компьютер с операционной
системой DOS и выполнять эти приложения в настоящем, а не виртуальном реальном
режиме.
Процессоры, применявшиеся в PC
Теперь, разобравшись со всеми терминами и понятиями, с
которыми нам придется столкнуться, давайте начнем изучать собственно сами
реальные процессоры. Стоит ли подробно изучать все процессорную продукцию,
появившуюся на рынке PC за последние 20 лет? Наверное, нет. На мой взгляд,
подробно следует изучить лишь те системы, которые сейчас присутствуют на рынке.
И, естественно, мы уделим самое пристальное внимание таким процессорам. Но, тем
не менее, мне кажется, что все же необходимо, хотя бы для общего развития и
представления тенденций на рынке, сделать небольшой обзор всей истории развития
процессоров, применяемых в PC.
Итак, давайте начнем.
Процессоры i8086 и i8088
В июне 1977 года Intel совершила революцию, представив
свой новый процессор 8086. Это был один из первых 16-разрядных микропроцессоров
на рынке, в то время практически все прочие процессоры были 8-разрядными.
Процессор 8086 имел 16-разрядные внутренние регистры и мог выполнять
программное обеспечение нового типа, использующее 16-разрядные команды. Он так
же имел 16-разрядную внешнюю шину данных и поэтому мог передавать одновременно
16 бит данных в память.
Разрядность шины адреса составляла 20 бит, и процессор
8086 мог адресовать память емкостью 1 Мбайт (2 в 20 степени). В то время это
казалось чудом, так как большинство других процессоров имели 8-разрядные
внутренние регистры, 8-разрядную внешнюю шину данных и 16-разрядную адресную
шину и могли адресовать не более 64 кбайт оперативной памяти (2 в 16 степени).
Процессор 8086, имея полностью 16-разрядную внешнюю
шину данных, требовал соответственно и 16-разрядной материнской платы, однако
ее производство было делом весьма дорогостоящим, и цена ее соответственно была
весьма высока. В Intel поняли, что пользователи не могут или не хотят так
дорого платить за дополнительную эффективность полностью 16-разрядного
процессора, и через некоторое время была представлена усеченная версия
процессора 8086, названная 8088. В ней, по существу, были удалены 8 из 16
разрядов на шине данных, и теперь процессор 8088 мог рассматриваться как
8-разрядная микросхема с точки зрения ввода и вывода данных. Однако, поскольку
в нем были полностью сохранены 16-разрядные внутренние регистры и 20-разрядная
шина адреса, процессор 8088 так же выполнял 16-разрядное программное
обеспечение и адресовал 1 Мбайт оперативной памяти. А так как внешняя шина
данных у него была 8-разрядной, то он мог работать в гораздо более дешевой
материнской плате.
Исходя из этого, IBM и выбрала 8-разрядные микросхемы
8088 для своего первого IBM PC, хотя спустя несколько лет IBM за это
критиковали. А в то время IBM даже скрывали физические детали проекта, просто
отмечая, что ее новый компьютер имеет быстродействующий 16-разрядный процессор.
В первом IBM PC использовался процессор 8088 с тактовой частотой 4,77 МГц, в
одну секунду происходило примерно 4 770 000 тактов, а на выполнение каждой
команды процессор затрачивал примерно 12 тактов.
Процессоры 80186 и 80188
После выпуска процессоров 8088 и 8086 Intel начала
разработку более производительного процессора. Первые процессоры 80186 и 80188
были не очень удачными. Эти процессоры весьма похожи на своих прародителей 8086
и 8088. Процессор 80186 (как и 8086) был полностью 16-разрядным, а 80188 (как и
8088) - компромиссный вариант с внешней 8-разрядной и внутренней 16-разрядной
шинами. Различие же между процессорами в том, что в их корпус помимо самого
процессора встроено еще 15-20 компонентов, а это позволило резко сократить и
сложность, и, в конечном счете, стоимость материнской платы. Однако такие
процессоры редко использовались в PC, в первую очередь их применяли в различной
периферийной технике.
Сопроцессор 8087
Несколько позже процессора 8086 для него был
разработан сопроцессор 8087, который был предназначен для математических
вычислений (операций с плавающей точкой). Такие микросхемы называли FPU
(Floating-Point Unit). Такой сопроцессор, как мы уже упоминали, мог значительно
быстрее чем основной процессор производить сложные математически вычисления.
Процессор 286
Процессор 80286 (или просто 286) был создан в 1981
году, и на его основе IBM создала компьютер, называемый IBM PC AT. Выбор этого
процессора в качестве основы РС АТ объяснялся его совместимостью с процессором
8088, т.е. все разработанные для систем с процессором 8088 приложения подходили
и для 286-го. Процессор имел 16-разрядные внутренние регистры и 16-разрядную
внешнюю шину данных, а так же мог адресовать 16 Мбайт оперативной памяти, так
как его адресная шина составляла 24 бита. Производительность компьютера с
процессором 286 с тактовой частотой 6 МГц была в пять раз выше, чем у системы с
4,77 МГц 8088. Это объясняется и возросшей тактовой частотой, и внешней шиной
данных, шириной 16 бит и тем, что этот процессор исполнял одну команду в
среднем за 4,5 такта (8088 - за 12). Кроме того, существовали версии 286
процессора с частотами работы 6, 8, 12, 16 и 20 Мгц. Но даже при равных
частотах (существует 8086 и 80286 на частоте 8 МГц) производительность нового
процессора была втрое выше.
Еще одно интересное нововведение в 286 процессоре
(правда, практически не использовавшееся в то время) - процессор мог работать в
защищенном режиме. И если в реальном режиме 286 полностью эквивалентен 8086,
т.е. может выполнять все написанные для него программы без какой бы то ни было
модификации, то в защищенном режиме 286 - совсем другой процессор. Если
выполняемая им программа написана с расчетом на его новые возможности, то ей
доступна виртуальная память объемом 1 Гбайт, хотя сам процессор поддерживает
только 16 Мбайт реальной оперативной памяти. Существеннейшим недостатком 286
процессора было то, что он не мог переключиться из защищенного режима в
реальный без перезагрузки (для переключения из реального режима в защищенный
перезагрузка не нужна). До появления Windows 3.0, в которой специально для
процессора 286 был так называемый стандартный режим, было очень мало программ,
использующих все возможности нового процессора. А к этому моменту популярным
был уже следующий процессор Intel (80386).
Однако нужно отдать должное создателям процессора 286,
предпринявшим первую попытку построить многозадачный процессор, который мог бы
выполнять сразу несколько программ. Он был спроектирован так, что при зависании
одной из программ не нужно было перезагружать всю систему, так как теоретически
происходящее в некоторой области оперативной памяти не должно сказываться на
работе других программ. Однако для полной изоляции многих программ друг от
друга, процессор 286 и последующие, должны были работать с операционной
системой, обеспечивающей такую защиту.
Сопроцессор 80287
Архитектура сопроцессора 80287 практически идентична
архитектуре 8087. Несмотря на то, что 286 процессор работает на частоте, значительно
превышающей 8088, сопроцессор 287 и по частоте практически не выигрывает у
8087. Можно сказать, что эффективность сопроцессоров 8087 и 80287 примерно
равна, поэтому от установки в 286 систему сопроцессора, выигрыш оказывался
совсем не столь значительным, как от установки сопроцессора в 8088 систему.
Процессор 386
Процессор 386 стал в свое время сенсацией в
компьютерном мире, благодаря исключительно высокой производительности по
сравнению с предшественниками. Создатели этого полностью 32-разрядного
процессора стремились добиться максимальной производительности и возможности
работать с многозадачными операционными системами. В реальном режиме процессор
386 может выполнять все программы, написанные для 8088 без какой либо
модификации и является в этом смысле полностью с ним совместимым.
В отличие от 286 процессора, 386 может переключаться в
реальный и защищенный режим без перезагрузки компьютера. Кроме того в нем впервые
предусмотрен виртуальный реальный режим, с помощью которого может выполняться
сразу несколько программ в реальных. Защищенный режим 386 процессора полностью
совместим с защищенным режимом 286-го. Существует несколько разновидностей
386-го процессора, давайте остановимся на них.
Процессор 386DX
Процессор 386DX была первым процессором этого
семейства. Он представлял собой полностью 32-битный процессор, у которого
внутренние регистры, внутренняя и внешняя шина данных была 32-разрядной.
Процессор мог адресовать 4 Гбайт оперативной памяти. Тактовая частота
процессоров Intel 386DX колебалась от 16 МГЦ, до 33 МГц.
Процессор 386SX
Процессор 386SX предназначен для компьютеров с
возможностями 386-го, который стоил бы не больше 286-ой системы. Как и в 286 процессоре
использовалась 16-разрядная внешняя шина данных. Однако внутренняя архитектура
386SX аналогична внутренней архитектуре 386DX, т.е. он может обрабатывать
одновременно 32 бита данных. Этот процессор, как и 286, может адресовать только
16 Мбайт памяти. Процессоры 386SX выпускались с тактовыми частотами 16 - 33
МГц. Появление этого процессора означало конец карьере 286, так как новая
система за те же деньги давала несколько более высокую производительность и
плюс появлялась возможность запускать все приложения, написанные специально для
386 процессора.
Процессор 386SL
Этот процессор имеет все особенности 386SX, однако
питается меньшим напряжением, потребляет меньший ток, и стало быть может
применяться в системах, где крайне важно энергосбережение, таких как мобильные
компьютеры. Кроме того, процессор оснащен системой управления потребляемой
мощности. Во всем остальном этот процессор эквивалентен процессору 386SX.
Сопроцессор 387..
В отличие от 287, который, по сути, являлся 8087 с
другой разводкой ножек, сопроцессор 387 с повышенной производительностью
разрабатывался специально для 386 систем Intel не успела вовремя выпустить 387,
первые платы для этих систем имели гнездо для подключения 287, а это
производительности не добавляло :). Только более поздние платы для 386-го
процессора имели гнездо для подключения 387-го сопроцессора. Существовало две
разновидности 387: 387DX и 387SX, предназначенных соответственно для 386DX и
386SX процессоров.
Процессор 486
Появление процессора 80486 (или просто 486)стало
следующим этапом повышения быстродействия компьютеров. Его новые возможности
привели к бурному росту производительности и возможностей программного
обеспечения. Достичь примерно вдвое более высокой производительности по
сравнению с 386 (на одинаковых тактовых частотах) позволил целый ряд факторов:
*
уменьшение времени выполнения команд. В среднем в 486 процессоре одна
команда исполняется за 2 такта, а не 4,5 как в 386.
* встроенная кэш-память первого уровня (L1). Считывание из кэш-памяти выполняется вообще без тактов ожидания, что позволяет значительно ускорить получение процессором данных.
*
применение пакетного режима при обмене с памятью
* встроенный сопроцессор (в некоторые модели). Производительность нового сопроцессора в среднем в 2-3 раза выше, чем у 387-го.
Мало того, что быстродействие нового процессора
примерно вдвое выше, чем у 386, но еще и есть возможность замены 486 процессора
на более быстрые его модификации, что делает систему еще вдвое - втрое быстрее.
Благодаря всем этим причинам процессор 486 достаточно
быстро вытеснил 386-ой.
Все модификации процессора 486, как и 386DX являются
полностью 32-разрядными, т.е. имеют 32-разрядные регистры, 32-разрядную внешнюю
шину данных и адресную шину.
До появления 486 процессоров большинство пользователей
предпочитали не пользоваться системами с графическими интерфейсами, не желая
подолгу смотреть на песочные часы :). Но с его появлением ситуация резко
изменилась, и теперь принято считать, что именно появление 486 процессора
способствовало популярности графических пользовательских интерфейсов. Давайте
вкратце разберем основные модификации 486-ых процессоров.
Процессор 486 DX
Первый процессор 486DX был выпущен фирмой Intel в
апреле 1989 года, а первый компьютер на его основе появился в 1990 году.
Тактовая частота процессора составляла 25 МГц, затем появились модификации,
рассчитанные на 33 и 50 МГц. Этот процессор являлся базовым 486-ым, имел
встроенный сопроцессор и кэш-память первого уровня, емкостью 8 кб, а также
контроллер этой памяти (кэш-контроллер).
Процессор 486SL
Этот процессор некоторое время выпускался в виде
отдельной микросхемы, а затем был снят с производства, а усовершенствования и нововведения
варианта SL были использованы во всех остальных процессорах семейства 486.
Практически единственно, что отличает эту разновидность 486 процессора - он
содержит дополнительные узлы для управления энергопотреблением и снижения
потребляемой мощности. Первоначально использовался в мобильных компьютерах,
хотя встречается и в настольном исполнении.
Процессор 486 SX
Этот процессор начали выпускать в апреле 1991 года как
более дешевый вариант CPU без сопроцессора.
Мы уже отмечали, что процессор 386SX - это урезанный
16-разрядный вариант полноценного 32-разрядного 386DX. Ситуация с процессором
486SX совершенно иная: это полноценный 32-разрядный процессор, эквивалентный
486DX во всем, кроме отсутствия у 486SX сопроцессора. И в отличие от ситуации с
386DX и 386SX, обе разновидности 486-х процессоров (с сопроцессором и без него)
являются взаимозаменяемыми, т.е. могут быть установлены в одну и ту же
материнскую плату.
Процессоры 486SX появились скорее по коммерческим, а не
по технологическим причинам. Дело в том, что процессоры 486SX представляли
собой 486DX со сбойным сопроцессором, и в продажу процессор шел после того, как
сопроцессор отключали.
Процессоры 486DX2 и 486DX4
В мае 1992 года Intel приступил к выпуску новых версий
486-ых процессоров, работающих на удвоенных, как ясно из названия DX2,
частотах. Эти процессоры с частотами 40, 50, 66 МГц предназначались для замены
младших версий 486 процессоров.
За счет чего достигалось удвоение тактовой частоты
процессоров 486DX2? За счет того, что процессор работал уже не на той тактовой
частоте, которую предоставляла ему материнская плата, а умножал (об умножении
мы уже с Вами говорили) тактовую частоту системной шины на два внутри себя.
Т.е. для материнской платы процессор 486DX2-66 МГц ничем не отличался от
486DX-33, но при этом выполнял команды вдвое быстрее!!! Таким образом, с
выходом подобных процессоров, умножающих тактовую частоту системной шины и
работающих на полученной частоте, появилась возможность значительно увеличивать
производительность готовых систем, заменяя только процессор и не меняя в
системе ничего более. Затем появились процессоры 486DX4, которые могли умножать
частоту системной шины на 2.5 и 3, работая, таким образом, на еще больших
тактовых частотах, притом, что материнская плата работает на своей старой
частоте и никаких модификаций в нее вносить не надо. Это было самым началом
того времени, когда производительность компьютера можно значительно улучшить,
не меняя в системе ничего, кроме процессора.
Максимальная частота, на которой работал процессор
486DX4 произведенный Intel, составляла 100 МГц.
Следует еще отметить, что во многих материнских
платах, для 486-х процессоров устанавливалась дополнительная кэш-память, так
называемый кэш второго уровня (Level2, L2). Использование кэш-памяти второго
уровня позволяло увеличить эффективность обмена между памятью и процессором за
счет того, что между ними, кроме кэш-памяти первого уровня, находящейся в
процессоре и имеющей чрезвычайно малый объем, располагалась еще одна
кэш-память, хоть и медленнее, чем встроенный в процессор кэш, но зато объемом
побольше (16-256 Кб и более). Задержки при доступе к кэшу второго уровня хоть и
больше чем для кэша L1, но заметно ниже, чем для оперативной памяти. Кэш-память
второго уровня улучшала производительность подсистемы память - процессор, и,
сегодня до сих пор применяется такая как в 486-ых процессорах двухуровневая
система кэширования.
Сопроцессор 80487SX
Как мы помним, процессор 486DX комплектовался
встроенным сопроцессором, а вот процессор 486SX, будучи во всем аналогичным
486DX, поставлялся без сопроцессора. Было бы вполне логично, если бы Intel не
выпускал отдельно 487 сопроцессора, но такой кристалл был выпущен и назывался
487SX. Если такой сопроцессор устанавливается на материнскую плату, в которую
установлен процессор 486SX, то 487SX не только берет на себя функции
сопроцессора, но и полностью отключая 486SX, берет на себя и процессорные
функции. По сути 487SX - разновидность 486DX, так как выполняет функции и
процессора и сопроцессора.
Теперь буквально несколько слов о фирмах, выпускающих
конкурирующую с Intel продукцию. Подробнее продукцию этих фирм мы обсудим,
когда речь зайдет о более современных системах.
Конкуренты Intel
На рынке 486 систем, помимо Intel выпуском процессоров
занимались еще несколько фирм. Пожалуй, главным конкурентом Intel в те времена
была (и, кстати, есть и сейчас) фирма AMD (Advanced Micro Devices). Эта фирма
еще выпускала совместимые с 386 процессоры. В те времена AMD выпускала
процессоры по лицензии Intel, и процессоры AMD фактически ничем не отличались
от Интеловских. Но со временем ситуация изменилась, и AMD стала самостоятельно
разрабатывать аналоги процессоров Intel. Разумеется, процессоры AMD были
совместимыми с оригинальными процессорами Intel программно, т.е. исполняли тот
же набор команд х86, кроме того, они были совместимы аппаратно в том смысле,
что вставлялись в те же материнские платы, что и процессоры Intel. В этом нет
ничего удивительного, так как изготавливать полностью совместимые по ножкам
кристаллы - единственный способ добиться хоть какого ни будь успеха на рынке,
иначе станет ли пользователь покупать для конкурирующего процессора специальную
материнскую плату, если в нее нельзя впоследствии будет установить оригинальный
процессор от Intel? AMD выпускала аналоги процессоров 486DX, DX2, DX4, а также
процессор 5х86, являющийся на самом деле все тем же 486-ым, но с возможностью
умножения на 4 и максимальной частотой 133 МГц.
Вторым конкурентом Intel на рынке была Cyrix, так же выпускавшая
аналоги 486DX2 и 486DX4 процессоров. Продукция Cyrix, так же как процессоры
AMD, была совместима с Интеловской как программно, так и аппаратно (в смысле
применялась в тех же материнских платах).
Процессоры Pentium
На этом наш исторический экскурс завершен. Рассмотрев
процессоры, которые сегодня уже стали историей, мы переходим с Вами к самому
важному и интересному вопросу: современные процессоры. Изучая те процессоры,
которые применяются в PC сегодня, мы будем подробно останавливаться на многих особенностях,
которые интересуют пользователя. Начнем мы изучение современных процессоров с
изучения процессора разработанного Intel после 486: с процессора Pentium.
Разве, скажете Вы, процессоры Pentium сегодня еще кто-то применяет? Ведь они
уже давно отправились на свалку истории? И да и нет. Да, действительно,
процессоры Pentium сегодня не применяют в новых системах, но до сих пор
присутствуют на рынке системы и процессоры, которые являются совместимыми по
контактам с процессором Pentium. Кроме того, подробно рассмотрев процессор
Pentium и конкурирующие с ним устройства, нам впоследствии будет проще и яснее,
когда мы станем разбираться с самыми современными технологиями на рынке
процессоров.
В октябре 1992 года Intel объявила, что х86
совместимые процессоры пятого поколения, которые разрабатывали под кодовым
именем Р5, будут называться Pentium, а не 586, как предполагали многие. Хоть
такое название и было бы вполне естественным, однако выяснилось, что
обозначения, состоящие из цифр не могут быть зарегистрированы в качестве
торговой марки, а Intel опасалась конкурентов, которые могли начать выпуск
аналогичных микросхем под давно ожидавшимся не патентуемым названием. Первые
процессоры Pentium были выпущены в марте 1993 года, а вскоре появились и первые
компьютеры на их основе.
Pentium программно совместим с предыдущими
процессорами фирмы Intel, но тем не менее сильно от них отличается. Одно из
отличий можно назвать революционным: в новом процессоре было 2 конвейера, что
позволяло ему выполнять 2 команды одновременно, все предыдущие процессоры
выполняли только одну команду в один момент времени. Intel назвала это
"суперскалярной технологией", и благодаря этому производительность
Pentium, по сравнению с предыдущими процессорами, заметно возросла. Если
стандартная микросхема 486 выполняет в среднем команду за 2 такта, то новый
процессор может выполнять сразу две команды за 1 такт!
Процессор Pentium имеет 32-разрядную адресную шину,
как и 486-ой, что позволяет ему адресовать 4 Гбайта памяти. При этом
разрядность шины данных увеличена вдвое и составляет 64 бита, таким образом
обмен данными между памятью и процессором происходит быстрее, чем в предыдущих
процессорах. Однако, несмотря на то, что внешняя шина данных 64-разрядная,
внутренние регистры процессора 32-разрядные и поэтому процессор Pentium
является 32-разрядным процессором (как и 386, 486). Процессор Pentium имеет два
встроенных кэша первого уровня по 8 кб: один для команд процессора, второй -
для обрабатываемых данных. Кроме того, на материнской плате может быть
расположена кэш-память второго уровня (L2-кэш). Ее объем обычно составлял
256-512 кб. Использование кэша L2 позволяет значительно повысить
производительность системы при обмене с оперативной памятью. Кроме того, в
процессоре Pentium, как и 486DX предусмотрен встроенный сопроцессор.
Благодаря совокупности всех рассмотренных фактов,
производительность нового процессора была заметно выше, чем у всех предыдущих
микропроцессоров, применявшихся в PC.
Существует две разновидности процессоров Pentium.
Изначально Intel выпустила процессор Pentium, работающий на тактовых частотах
60 и 66 МГц, при том, что системная шина тоже работала соответственно на
частотах 60 и 66 МГц, т.е. коэффициент умножения первых Pentium был равен 1.
Технология производства первых кристаллов имела характерный размер элемента 0.8
мкм и питалась напряжением 5В. Первый Pentium сильно грелись, так как при таком
питании потребляли большой ток. Производство кристалла оказалось слишком
сложным, выход годных чипов был невысок. Кроме того в первых Pentium была
обнаружена ошибка в сопроцессоре, так называемая fdiv. Эта ошибка приводила к
тому, что результат операции типа: (123/111)*111 мог быть не точно равен 123,
а, например, 123.0003!!!!
По совокупности этих обстоятельств Intel свернула
производство первого поколения Pentium, и 7 марта 1994 года начала выпуск
нового процессора все с тем же именем Pentium, но переработанного. Кстати,
новые кристаллы Pentium были не совместимы по разъему со старыми Pentium, и,
поэтому если вы хотели бы заменить в своем компьютере старый Pentium на новый
Вам было бы необходимо заменить и материнскую плату. Старые Pentium успели
получить весьма малое распространение, поэтому мы более останавливаться на них
не будем, а подробнее рассмотрим процессор Pentium второго поколения, и,
впредь, упоминая Pentium, будем иметь ввиду именно Pentium второго поколения.
Новые кристаллы Pentium устанавливались в процессорные
разъемы Socket 5 и Socket 7. Причем разъем типа Socket 5 применялся только
сначала, а затем использовали только разъем Socket 7. Из-за этого все
процессоры, включая и сами кристаллы Pentium, и совместимую с ними продукцию
конкурентов стали для краткости называть Socket 7 процессорами, а компьютеры на
базе таких процессоров - Socket 7 - системами.
Новые Pentium изготавливались по технологии 0,5 мкм и
питались напряжением 3.3В За счет этого удалось значительно повысить тактовую
частоту процессоров, относительно 66 МГц первой модификации Pentium, при том,
что новые процессоры значительно меньше грелись. Intel выпустил модификации
Pentium на частотах 75, 90 и 100МГц. Затем последовательно появлялись
процессоры, с тактовыми частотами 120, 133, 150, 166, 200 МГц. Естественно
предположить, что кристаллы, работающие на более высокой частоте, показывают
большую производительность. Но всегда ли это так безусловно? Давайте
разберемся, а на какой частоте системной шины работали перечисленные
модификации Pentium. Материнские платы для Pentium второго поколения
поддерживали частоты системной шины 50, 60, 66 МГц. Давайте составим таблицу, в
которой отобразим частоту процессора, соответствующую частоту системной шины, и
множитель процессора.
|
Частота процессора |
Частота системной шины |
Множитель |
|
75 МГц |
50 МГц |
х1.5 |
|
90 МГц |
60 МГц |
х1.5 |
|
100 МГц |
66 МГц |
х1.5 |
|
120 МГц |
60 МГц |
х2.0 |
|
133 МГц |
66 МГц |
х2.0 |
|
150 МГц |
60 МГц |
х2.5 |
|
166 МГц |
66 МГц |
х2.5 |
|
200 МГц |
66 МГц |
х3.0 |
Давайте разберемся. Если вы замените Pentium 75МГц на
Pentium 90МГц, будет ли Вас upgrade безусловно хорош? Да, конечно. Ведь Вы
ускоряете не только процессор, но так же и системную шину, что в совокупности
означает, что и оперативная память и кэш второго уровня на материнской плате
работают на более высокой частоте. А если Вы замените в своей системе Pentium
100 МГц на Pentium 120 МГц? Будет ли снова Ваш upgrade полезен? Это уже далеко
не так очевидно. Заменяя 100 МГц процессор на 120 МГц, Вы получаете прирост
скорости работы процессора на 20%. Но при этом Вы замедляете системную шину на
10%, оперативную память - на 10%, кэш L2 на материнской плате - на 10%. Так
стоит ли менять 100 МГц Pentium на 120 МГц? Большой вопрос. Вероятно стоит, но
Вы должны понимать что ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ прирост производительности первого
описанного upgrade намного выше, чем относительный прирост производительности
от второго upgrade. Нетрудно заметить, что начиная с процессора Pentium 150 МГц
Intel больше не выпускает процессоров, работающих не на максимальной допустимой
для данной системы частоте системной шины. Ведь процессоры, которые
предназначены для более низкой частоты системной шины изначально менее
эффективны.
А что будет, если вы приобретете процессор Pentium 120
МГц, т.е. предназначенный для частоты системной шины 60 МГц, а запустите его,
установив на материнской плате частоту 66 МГц? Будет ли процессор работать, и
на какой частоте? Разумеется, процессор запустится на частоте 133 МГц, так как
процессор на самом деле не знает, на какой частоте он должен работать! Он лишь
знает о том, НА СКОЛЬКО он должен умножить поданную на него частоту системной
шины! А будет ли он работать на такой вот повышенной, не номинальной частоте?
Это, разумеется, зависит от многих обстоятельств. Вполне естественно, что у
процессора, который пошел в продажу с маркировкой, к примеру, 120 МГц есть еще
некоторый запас, иначе он бы и на своей номинальной частоте мог бы работать не
стабильно. И этот запас можно использовать!!!
Т.е., Вы приобретаете процессор, например, Pentium 120
МГц, и, обычно без труда запускаете его на 133 МГц, выигрывая при этом не
только в производительности процессора, но и в производительности системной
шины, оперативной памяти и кэша второго уровня! Не смотря на то, что покупка процессора,
рассчитанного на меньшую чем допустимая частоту системной шины на первый взгляд
кажется необоснованной, используя этот процессор на повышенной относительно
номинала частоте системной шины, Вы получите процессор, который ничем не
отличается от 133 МГц (в нашем примере), заплатив за это меньшие деньги. Такая
ситуация называется разгоном процессора. От чего зависит возможность разогнать
процессор? Не опасно ли это для процессора? Какими методами можно процессор
разогнать? Давайте попытаемся ответить на эти вопросы.
Давайте сначала разберемся, какими способами можно
разогнать процессор.
Способов всего два. Первый из них мы уже обсудили -
подъем тактовой частоты системной шины. Здесь можно выделить два случая: когда процессор
изначально рассчитан на меньшую частоту шины, чем могут работать другие
компоненты системы, в первую очередь материнская плата (т.е. чипсет) и второй
случай, когда подъем тактовой частоты системной шины происходит сверх номинала
как самой материнской платы, так и процессора.
Второй способ разгона процессора состоит в том, чтобы
изменить множитель, на которой процессор умножает поданную на него частоту
системной шины. Какой способ лучше? Разумеется, производительность системы,
разогнанной первым способом, увеличивается значительнее за счет того, что
увеличивая частоту системной шины мы разгоняем не только процессор, но и
оперативную память и кэш второго уровня, расположенный на материнской плате.
Второй же способ хорош тем, что меня множитель процессора, мы все остальные
компоненты системы оставляем в не разогнанном состоянии, т.е. фактором
нестабильности системы может быть только сам процессор, но никак не какой либо
еще элемент системы. Второй способ хорош, когда частоту системной шины уже
практически некуда повышать.
Не опасно ли это для процессора? Нет, если подходить к
разгону с умом. Если Вы понимаете что делаете, отдаете себе отчет в том, что
разогнанный процессор возможно нуждается в лучшем охлаждении, что его
температуру на этапе тестирования нужно контролировать, если Вам ясно, что
когда процессор не работает на данной частоте, то следует отказаться от ее
использования, а не работать на системе со сбоями лишь во имя большего числа
МГц в ущерб стабильности, тогда процесс разгона вполне безопасен. Вероятно,
разгон снижает срок жизни Вашего процессора как электронного устройства, но
вряд ли Вы сильно расстроитесь, если Ваш процессор вместо 50-и лет проработает
лишь 10. Ведь уже через 3-4 года он придет в совершенную негодность по причине
морального старения.
Следующий очень важный вопрос - от чего зависит
возможность разогнать процессор? Каждый процессор при изготовлении имеет обычно
некоторый запас и задачей разгоняющего процессор является как можно больше из
этого запаса полезно использовать. Разумеется, что в рамках некоторого
технологического процесса существует некоторая предельная частота, выше которой
поднять частоту уже не позволяет технология. Естественно, хорошо разгоняться
будут те процессоры, которые имеют номинальную частоту, далекую от предельной
для данной технологии. Конечно процессор, который хорошо охлаждают, имеет
гораздо больше шансов работать на повышенной частоте, чем процессор, вместе с
которым используется китайский радиатор и вентилятор. Кроме того, некоторые
фирмы некоторые свои процессоры маркируют с запасом, а бывают случаи, когда
маркировка вплотную приближается к возможностям кристалла. В общем факторов
множество. Мы будем обязательно о каждом пройденном процессоре говорить: как он
в среднем разгоняется.
Что можно в этом плане сказать о кристаллах Pentium?
Обычно процессор Pentium можно было немного (или неплохо :)) разогнать.
Например: Pentium 75 обычно без проблем работал на
частоте 90 МГц (60х1.5), нередко и на 100 МГц (66х1.5). Вообще практически
любой процессор Pentium работал на частоте системной шины на ступеньку выше,
чем предназначен. А как быть, если наш процессор уже рассчитан на частоту
системной шины 66 МГц, выше которой чипсеты для Pentium не поддерживали? Дело в
том, что и системная шина процессора Pentium обычно допускала некоторой разгон,
т.е. материнскую плату можно было заставить работать на более высокой частоте,
нежели ей положено. Многие материнские платы имели возможность установить
частоту системной шины 75 МГц, а некоторые и 83 Мгц. При таких частотах
системной шины и оперативная память и кэш L2 разгоняются, что благоприятно
сказывается на производительности системы, но плохо может сказываться на ее
стабильности. Но, если все компоненты системы подобрать высококачественными, то
нередко удавалось использовать частоту системной шины 75 и даже 83 МГц
(подробнее о разгоне системной шины и подводных камнях этого мероприятия мы
поговорим позднее).
А почему же процессор не разгоняли изменением
множителя процессора? Дело в том, что для того чтобы так делать, необходимо
чтобы сам процессор это позволял, а процессоры Pentium обычно не позволяли
пользователю изменять их множитель, таким образом, единственным способом
разогнать Pentium обычно было поднятие частоты системной шины. Мы с Вами еще
встретимся с процессорами, которые совершенно не позволяют менять множитель и с
процессорами, возможность смены множителя которых делает их великолепными
объектами разгона.
Вместо послесловия.
Разумеется мы с Вами еще не закончили изучение
процессоров. Более того, мы только начали :). На этом уроке мы разобрали с Вами
важнейшие концепции, связанные с устройством и назначением процессора. Вы
узнали множество новых для Вас терминов (или не множество, или ни одного, кто
как), без четкого понимания которых бессмысленно говорить о процессорных
технологиях. Кроме того мы достаточно подробно рассмотрели процессор Pentium,
включая элементы его архитектуры, кэш L1 и L2, техпроцесс про которому он
изготавливался, частоты функционирования различных модификаций и разгон этого
процессора. В следующий раз мы рассмотрим как далее развивалась архитектура
Pentium, какие процессоры пришли ему на смену, с какими процессорами ему
приходилось конкурировать и т.д. Естественно, мы изучим с Вами особенности ВСЕХ
современных процессоров, а для того, чтобы это эффективно сделать, Вам
необходимо тщательно проработать этот материал. Итак, в следующий раз мы
продолжаем рассматривать процессоры от Pentium до сегодняшних дней.
Главная / Содержание / Процессоры. Часть 1.