Понятие процессоров

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Понятие процессоров

Центральный процессор, далее процессор, является одним из главных компонентов компьютера. Часто его называют ЦПУ или CPU (Central Processor Unit - Центральное Процессорное Устройство), а также кристалл, камень, хост-процессор. Именно он выполняет все основные вычисления. И чем мощнее процессор, тем быстрее работает компьютер.

Современные персональные компьютеры используют, как правило, определенный алгоритм обработки данных, называемый архитектурой Фон Неймана, когда инструкции и сами данные хранятся в одной памяти, а сам процесс обработки построен на циклической последовательной обработке данных. Правда, именно последовательность обработки является узким местом такой архитектуры, так как любое данное должно последовательно пройти через процессор, хотя само вычисление может быть однотипным.

Из иных алгоритмов назовем Гарвардскую архитектуру, когда данные и программный код используют разную память. Однако в этом случае сложно использовать методы программирования, когда нужно поменять код в процессе выполнения программы, нельзя оперативно перераспределять память и т.д. Используется в встраиваемых компьютерах. Другой алгоритм, параллельный, применяется в суперкомпьютерах для ускорения процесса вычисления.

Существуют следующие основные характеристики центрального процессора: тактовая частота, количество ядер, установленная кэш память, вид оперативной памяти, с которой работает процессор, сокет (разъем) и частота системной шины.

Тактовая частота определяет, на какой частоте работает центральный процессор. За один такт может выполняться несколько операций. Чем выше частота, тем быстрее работает компьютер. В 90х годах и в начале 2000х основной фактор увеличения производительности компьютера было увеличение тактовой частоты. Однако со временем оказалось, что существует физический предел увеличения тактовой частоты. Современные производительные процессоры выпускаются с тактовыми частотами от 1.8 до 4 Мгц (2 Мгц обозначает, что за секунду происходит 2 миллиона колебаний, во время которых происходит работа процессора). Бюджетные варианты имеют меньшую частоту, которая меньше указанной выше.

Поэтому высокопроизводительные процессоры стали выпускаться с несколькими конвейерами, потом ядрами. Каждое ядро практически представляет собой отдельный процессор. Чем больше ядер, тем быстрее работает компьютер. Конвейер это промежуточное звено между одноядерным и многоядерным процессором. На компьютере обычно работает несколько задач, например, операционная система, антивирусная программа, браузер и прочее. Если каждая из них будет работать на своем ядре, то они будут работать параллельно друг с другом. Можно распараллелить и обычную программу, но производители математического обеспечения пока еще редко это делают. Но уже появляются первые программы, которые могут работать с несколькими ядрами одновременно, например, Photoshop.

Данные для работы процессора поступают из оперативной памяти, но в силу того, что память медленнее, чем процессор, то процессор может часто простаивать. Чтобы этого не оказалось, между центральным процессором и оперативной памятью располагают кэш память, которая более быстрая, чем оперативная память. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш память и затем в центральный процессор. Когда процессор требует следующее данное, то, если оно имеется в кэш памяти, то берется из него, а если нет, то происходит обращение к оперативной памяти. Дело в том, что программы имеют свойство работать последовательно, выполняя одну команду за другой или производя операции в цикле. Если выполняется цикл, то данные для работы цикла могут находиться в кэше и обращение к оперативной памяти минимально. Если программа выполняется последовательно одна команда за другой, то когда одна команда выполняется, то коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно убыстряет работу, так как ожидание центрального процессора сокращается.

Существует несколько видов кэш памяти. Самая быстрая кэш память 1го уровня, которая находится в ядре процессора. В силу того, что она находится в ядре, то она небольшая по размерам, потому что увеличение объема приводит к сложности процессора. Объем ее составляет от 8 до 128 килобайт.

Следующая кэш память 2го уровня находится также в процессоре, но не в ядре. Она более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память первого уровня. Размер ее может быть от 128 килобайт до нескольких мегабайт.

Существует кэш память 3го уровня, которая более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память второго уровня.

Чем больше объем этих видов памяти, тем лучше, тем быстрее работает процессор и соответственно компьютер.

Как видно из сказанного выше, чем быстрее работает оперативная память, тем лучше. Поэтому следует знать, какую память поддерживает процессор. Он может поддерживать память типа DDR,DDR2, DDR3. Эти виды памяти не совместимы друг с другом. DDR3 работает быстрее, чем DDR2,DDR2 работает быстрее чем DDR.

Следующей характеристикой является сокет (или разъем), в который вставляется центральный процессор. Если процессор предназначен для определенного вида сокета, например, Socket 478, то его нельзя установить в Socket 479. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для центрального процессора и он должен соответствовать типу процессора.

Также основной характеристикой является частота системной шины. Чем больше частота системной шины, тем больше данных передается за отрезок времени. За один такт можно передать для старых компьютеров один бит, для современных несколько. Имеется другой показатель - пропускная способность шины. Он равен частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за один такт. Если частота системной шины равна 100 Мгц, а за один такт передается два бита, то пропускная способность будет 200 Мбит/сек. Если можно передать за один такт 8 бит, то пропускная способность равна 800 Мбит/сек. Ясно, что быстродействие во втором случае будет выше, несмотря на то, что частота системной шины осталась одна и та же. В настоящее время пропускная способность шины начинает исчисляться в гигабитах (или в десятках гигабитов) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше.

Существуют и другие показатели, которые убыстряют работу центрального процессора. Первые компьютеры имели центральный процессор, который работал только с целыми числами. Для того, чтобы выполнить операции с числами с плавающей точкой, нужны были подпрограммы. Со временем стали производить сопроцессор с плавающей точкой, который был специализирован для выполнения арифметических действий. Так как операции с целыми числами занимают основное время процессора (в силу их большого количества), то сопроцессор часто не устанавливали. Сопроцессор требовался практически только для научных и инженерных вычислений. На материнской плате было два разъема: один для установки процессора, который работал с целыми числами и разъем для работы сопроцессора, выполняющего операции с плавающей точкой (форматы чисел приведены в описании программирования на языке Basic).

Со временем сопроцессор стали устанавливать вместе с процессором (в середине 90х годов) в один корпус. Так как сопроцессор большее время находился в ожидании, то решено было использовать его для дополнительных команд. Так появился набор команд ММХ, который содержал 57 новых команд. Так как процессор работы с плавающими числами имел разрядность в 64 бит, то команда ММХ упаковывал несколько данных в одну команду, размером в 64 бит (данные могут иметь размер в 2, 4, 8 байт). Затем выполняется одна команда. Если бы эти действия выполнял процессор, работающий с целыми числами, то ему бы пришлось выполнять несколько команд, меньших по размеру, чем 64 бит.

Программа определяла, работает ли процессор с командами ММХ, и в зависимости от ответа выполнялась часть программы либо с командами ММХ (что ускоряло работу), либо без них. Если программа не имела возможность работы с командами ММХ, то работал целочисленный процессор. Применение данных команд позволило увеличить производительность до 60 % (на задачах, которые требуют ММХ).

Почему в основном выполняются целочисленные операции? Дело в том, что основной объем операций на компьютере занимают операции с видео (графикой) и звуком. Эти программы используют целые числа. Так, описание изображения на экране можно представить как матрицу значений цвета каждого пикселя, а это целое число. Если нужно наложить одно изображение на другое, то опять-таки используются целые числа. Основные операции - это логические операции (логический и арифметический сдвиги, операции и, или, исключающее или и пр.), операции сравнения, и сдвиговые операции. Конечно, многие операции по обработке видео выполняет видеопроцессор, но он не всегда справляется с этой задачей. Поэтому введение команд ММХ увеличивает производительность компьютера.

Компания AMD продолжила развитие данного набора, введя набор 3DNow!, используя новые 21 команду.

Через год компанией Intel был введен новый набор данных: SSE (Streaming SIMD Enhanced - потоковое SIMD-расширение, где SIMD - Single Instruction, Multiple Data - одна инструкция -- множество данных). Такие команды уже были 128-битные, появились новые команды и восемь новых регистров для инструкций ММХ. До этого для команд ММХ использовались регистры процессора с плавающей точкой. Добавилось 70 новых команд: пересылки, арифметические, команды сравнения, распаковки, преобразования типов и логические операции. Данный набор начал использоваться в процессорах Pentium III.

SSE2 был разработан, чтобы вытеснить набор ММХ, начал использоваться в процессорах PentiumIV и расширил количество команд до 144.

SSE3 был представлен в 2004 году компанией Intel и вводил 13 новых команд. В частности была добавлена команда для преобразования числа с плавающей точкой в целое и сложения и вычитания нескольких значений, что упростило ряд 3D операций.

SSE4 был представлен в 2006 году и состоит из 54 новых команд (47 относятся к SSE4.1, 7 к SSE4.2). Новые команды позволяли ускорить работу по компенсации движения в видео, векторизации программ и пр.

Кроме этих, имеются и другие наборы: Extended MMX или ЕММI (Extended Multi-MediaInstructions -расширенные мульти-медиа инструкции) введенный компанией Cyrix для процессоров серии 686, 3DNow! Extended компанией AMD, которые устанавливаются на процессоры, начиная сAthlon, SSSE3 с новыми 16 командами, которые работают в Intel Core 2 и Xeon, AVX появившихся в 2008 году и имеющих новые команды длиной 256 бит.

Имеются и другие виды усовершенствования работы процессоров. Каждая из улучшает работу компьютера, и эти улучшения вводятся в новые типы процессоров. Первые компьютеры выполняли одну операцию за несколько тактов. Современные за один такт выполняют несколько операций. То есть, от поколения процессоров к следующему поколению улучшается структура процессора и не всегда эти улучшения имеют свое название или имеют название, которое интересно только специалистам.

Сказать как именно и на сколько процентов изменения улучшают работу очень трудно, так как имеется много видов программ. Некоторые требуют больше операций ввода-вывода с жестких дисков, некоторые имеют один вид преобладающих операций, другие обладают иными возможностями, поэтому когда сравнивают процессоры, то их тестируют на разных видах программ, например, графических, игровых и т.д. и потом усредняют по определенным критериям. Кроме того, имеет большое значение, какие другие устройства (материнская плата, в том числе чипсет, видеоподсистема и пр.) установлены на тестируемом компьютере, что может давать разницу в несколько десятков процентов. Некоторые вопросы сравнения процессоров рассмотрим ниже.

В этой главе будут рассматриваться процессоры серии х86, основанные на принципах работы моделей компаний Intel, AMD, Cyrix и других, функционирующих в персональных компьютерах. Так как эти процессоры имеют сходные характеристики, то они рассматриваются на основе процессоров компании Intel, которая до сих пор занимает лидирующие позиции в разработке и производстве центральных процессоров.

Под словом процессор будем понимать центральный процессор, который, как вытекает из названия, является основным в компьютере. Он производит основные вычисления и управляет работой системной шины по передаче данных между различными устройствами компьютера. Каждый процессор новой версии может обрабатывать те же программы, с которыми работал старый процессор, а после установки процессора не требуется использования драйверов и нового математического обеспечения.

2. Типы процессоров

кэш процессор тактовый

Основными характеристиками процессоров является частота и количество разрядов, по которым можно адресовать данные. Частота измеряется в герцах, и чем больше она, тем быстрее работает процессор. Один герц обозначает один цикл в секунду и обычно указывается скорость работы в килогерцах (Кгц или 1 000 циклов в секунду), или мегагерцах (Мгц или 1 000 000 циклов в секунду), или гегагерцах (Ггц равен 1 000 000 циклов в секунду). Повышение разрядности улучшает производительность компьютера. Рассмотрим основные типы процессоров, которые могут быть: 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III и Pentium IV. Celeron обозначает урезанный вариант процессора Pentium. После названия обычно приводится тактовая частота процессора, например, Celeron 450, что обозначает тип процессора (Celeron) и тактовую частоту (450 Мгц), на которой он работает.

Количество обрабатываемых данных одновременно. Одной из характеристик процессора является количество данных, обрабатываемых за один такт. Чем больше данных может быть обработано, тем выше производительность у процессора, тем быстрее они обрабатываются. В первых процессорах серии 8086 процессор обрабатывал по 16 бит данных. Эта характеристика непосредственно связана с размером регистров внутри ЦП. Если размер регистров 16 бит, то центральный процессор обрабатывает 16 бит одновременно. Характеристики других процессоров этой серии можно посмотреть далее в этой главе.

Другой главной характеристикой процессора является количество данных, которыми он может обмениваться с внешними устройствами или пропускная способность шины. Отметим, что оперативная память является внешним устройством для процессора. При этом, чем больше данных одновременно будет отправлено/получено, тем выше производительность процессора. Эта характеристика определяется количеством линий системной шины для одновременной передачи данных. Чем их больше, тем больше данных может быть передано. В первых процессорах было от 8 до 16 подобных линий, затем 32, а для связи с оперативной памяти - 64.

С появлением новых видов процессоров действует эвристическое правило Гордона Мура(одного из основателей компании Intel), которое гласит, что каждое десятилетие количество элементов в процессоре увеличивается в 100 раз, а цены на процессоры за полтора года падают в два раза.

Каждый новый вид процессора имел преимущества перед предыдущими моделями. Как правило, это касается его быстродействия, например, вводятся новые виды команд, скажем, ММХ для того, чтобы повысить производительность процессора при работе с графикой (как правило, это нужно для игровых программ). Кроме того, могут вводиться новые элементы в сам процессор (например, кэш внутри процессора), которые не меняют принципов работы процессора, но обеспечивают его повышенную производительность.

Компьютеры 486 серии имели тактовую частоту 25 и 33 Мгц. В первых моделях Pentium основные частоты составляли 50, 60, 66 Мгц. Современные компьютеры выпускаются с частотами 100 и 133 Мгц и выше. В силу того, что процессор работает на собственной частоте, превышающей частоту системной шины, вводится умножающий коэффициент, который свидетельствует о количестве тактов, производимых процессором за один такт системной шины. Например, процессор Pentium 120 имеет тактовую частоту 120 Мгц, а частоту системной шины 60 Мгц, то есть за один такт системной шины произойдет два такта у процессора. Этот коэффициент может быть не целым числом, например, у процессора Pentium 166 частота процессора составляет 166 Мгц, а частота системной шины 66 Мгц, то есть умножающий коэффициент равен 2,5. В этом случае за два такта системной шины происходит 5 тактов центрального процессора.

Рассмотрим основные виды процессоров.

8086. Первым процессором для серии персональных компьютеров был процессор, который назывался 8086 и был создан в 1978 году. Часто компьютеры с этим процессором называют PC XT (произносится как пи си икс ти). Данный процессор имеет внутреннюю и внешнюю разрядность для данных - 16, для адреса - 20 разрядов и тактовую частоту от 4,77 до 10 Мгц (мегагерц). Внутренняя разрядность означает, с какой разрядностью выполняются логические и арифметические операции.Внешняя разрядность обозначает количество разрядов, по которым процессор может адресовать данные по внешней шине (216 = 64 Кб). Она разделяется на: шину данных, то есть количество линий, по которым передаются данные, и шину адреса, - количество линий, по которым передаются адреса. Благодаря сегментной организации памяти (один сегмент равен 64 Кб, а количество непересекающихся сегментов равно 16) можно адресовать значительное количество памяти, которая в 8086 процессорах достигала 1 Мб (или 220 = 1 Мб). Одна операция выполнялась за несколько тактовых операций, поэтому общая производительность составляла менее 1 млн. операций в сек.

Следующий параметр - тактовая частота работы процессора. Чем она больше, тем быстрее работает процессор. Например, если тактовая частота одного процессора равняется 10 Мгц, а другого 4,7, то первый работает в 10/4.7=2.12 раза быстрее. Это относится только к процессорам, так как производительность самого персонального компьютера в целом зависит от многих параметров. Однако одним из основных как раз и является частота процессора. Иногда компьютер с процессором большей частоты работает медленнее, чем с меньшей. Это происходит из-за того, что другие характеристики значительно хуже, но это встречается довольно редко и в дальнейшем будет более подробно описано. Если имеется старый тип компьютера, то модернизировать его невыгодно, так как придется менять очень много устройств, поэтому проще приобрести новый компьютер.

Далее в тексте приведены основные типы процессоров, при этом год их выпуска указан приблизительно, так как дата выпуска является условной и может означать: дату, когда был разработан процессор, когда выпущен тестовый экземпляр или когда начался его массовый выпуск.

В 1979 году был выпущен процессор 8088, который являлся аналогом процессора 8086, был дешевле, но имел внешнюю шину данных 8-бит, а не 16 бит, то есть пересылка происходила за два такта. Поэтому он работал медленнее.

80286 (или просто 286). Процессор 80286 начал выпускаться в 1982 г., внутренняя разрядность и внешняя, а также адресная шина имели 16 разрядов, шина данных - 24 разрядов, с адресацией до 16 Мб (224) и частотой 12-20 Мгц. Часто этот вид компьютеров назывался PC AT (произносится как «пи си эй ти»). В этом процессоре добавилось несколько новых машинных команд, появился защищенный режим, который осуществлялся аппаратными средствами. Процессор также поддерживал реальный режим, который использовался в процессорах 8086, появилось средство контроля перехода за границу сегмента. Однако существовали трудности при переходе из защищенного в реальный режим, которые были преодолены только в 386 процессоре.

Отметим, что математическое (то есть программное) обеспечение каждого следующего вида совместимо, то есть программа будет работать на компьютере более поздних типов, но не наоборот. Это значит, что программа, работающая с процессором 386 типа, будет работать на процессорах типа 486 и Pentium, но может не работать на процессорах типа 286.

80386 (или просто 386). Процессор 80386 создан в 1985 году, стал уже 32-разрядным (внутренняя разрядность, внешние шины данных и адресации) и мог адресовать до 4 Гбайт (232) оперативной памяти и 64 Гбайт виртуальной; тактовая частота могла быть от 16 до 40 Мгц. На материнской плате стала устанавливаться кэш-память, доступ в которой к процессору быстрее, чем по системной шине, что увеличивает производительность компьютера. В процессоре появился режим виртуального процесса 8086, при котором один процессор может работать с несколькими независимыми задачами, которые работают так же, как в режиме реального времени. При этом использование памяти управляется аппаратными средствами процессора. Кроме того, на материнской плате появилась кэш-память.

В силу того, что первоначально цена на эти модели была достаточно высокой, был изготовлен процессор 386SX, который был дешевле, но содержал не 32, а 16 разрядов внешних данных. 32-разрядные процессоры называются 386DX. Для переносных компьютеров использовались модели SL и SLC с пониженным энергопотреблением.

80486. Процессор 486 остался 32-разрядным (внутренняя разрядность, внешние шины данных и адресации) с той же адресацией - 4Гбайт (232) и частотой от 25 до 133 Мгц. Был создан в 1989 году. Одним из основных новшеств данной модели является наличие внутренней кэш-памяти в самом процессоре (или кэш-память первого уровня) для данных и команд, увеличивающее производительность процессора. Дело в том, что данные передаются по системной шине между оперативной памятью и процессором. Если первые процессоры (8086) обрабатывали команду за несколько тактов системной шины, то теперь за один такт выполняется несколько команд. За один такт системной шины процессор может передать одно данное или команду и выполнить несколько команд при наличии кэш-памяти в самом процессоре. Можно вызвать данные за один такт процессора, так как кэш-память работает на тактовой частоте процессора, то есть делает несколько тактов во время одного такта системной шины. Таким образом, в результате снижается вероятность простоя процессора. Чем больше размер кэш-памяти, тем быстрее будет работать процессор. Многие модели содержат 2, 8, 16 Кбайт этой памяти. Кроме того, организован механизм конвейеризации вычислений.

Машинная инструкция состоит из нескольких микрокоманд, которые нужно обработать. Поэтому, грубо говоря, когда одна команда выполняется, другая транслируется, а третья подается на вход. На самом деле может существовать большее количество ступеней обработки команд и большее число конвейеров. Поэтому после выполнения текущей команды следующая команда готова для выполнения и время работы компьютера с командами сокращается. Одной из основных проблем здесь является предсказание команд, которые будут выполняться следующими. Как правило, это следующая команда, которая располагается за выполняемой. Однако в программе существуют переходы и число их бывает значительным, например, в цикле, когда одна и та же последовательность команд выполняется несколько раз. Имеется специальный блок, который с определенной степенью вероятности предсказывает, какая команда будет выполняться следующей, и от этой степени зависит производительность компьютера. В настоящее время обеспечена достаточно высокая степень предсказаний, которая больше 90 процентов, иногда приближаясь к 99 процентов, что улучшает работу компьютера. Кроме того, добавлено несколько новых команд, введены буферы отложенной записи, включена защита страниц памяти от записи, возможности тестирования процессора и пр., что приводит к увеличению производительности даже при такой же тактовой частотой, что и у 386 процессоров.

Одним из отличий данного вида процессоров от предыдущих является наличие встроенного сопроцессора в одном корпусе. Обычный процессор выполнял операции с целыми числами. Чтобы выполнить операции с плавающей точкой (или с дробными, например, 17,35 х 8,76), вместо одной команды процессор, работающий с целыми числами, должен выполнить несколько команд, что замедляет работу компьютера. В работе программ научных расчетов используется много операций с плавающей точкой, поэтому для ускорения работы необходимо монтировать на материнскую плату специальный сопроцессор, который специализируется на обработке именно этих чисел и ускоряет работу. Однако для серии 486 сопроцессор был уже совмещен в одном корпусе вместе с процессором. Вначале такой процессор был достаточно дорог и назывался DX. Для того, чтобы снизить его стоимость, был разработан процессор без встроенного сопроцессора, получивший имя 80486SX (тактовые частоты 16-33 Мгц). Затем была выпущена следующая модель, у которой тактовая частота в два раза выше, чем системная шина с названием 80486DX2 (рабочие частоты процессора: 50-66) и соответственно выше в 3-4 раза с названием 80486DX4 (75-133). Например, процессор (DX2) с частотой 66 Мгц работает с системной шиной 33 Мгц и выполняет две команды за один системный такт, (DX4) с частотой 100 Мгц работает с шиной 33 Мгц и выполняет три команды за один такт. Для переносных компьютеров используется модель SL с пониженным энергопотреблением.

Процессоры 486 серии устанавливались в сокет 1 с количеством контактов по бокам матрицы 17 х 17, а также сокет 2,3,4 с матрицей 19 х 19. Процессоры 486 и серии Pentium имеют большее энергопотребление (для 486 - 5 вольт) по сравнению с 80386 и в силу своих размеров могут перегреваться, поэтому для охлаждения над ними стал устанавливаться специальный вентилятор, который охлаждает его. Этот вентилятор не нужно снимать - это может привести к перегреву процессора и соответственно к его поломке.

Pentium (или 586, или Р5) создан в 1993 году и имеет тактовые частоты: 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 Мгц. Внутренняя разрядность - 32, внешней шины данных - 64 и адресной шины данных - 32, с той же адресацией - 4Гбайт (232). Процессоры становятся все более и более сложными по количеству элементов, число которых составляет уже миллионы. Чтобы поместить их на одну плату небольшого размера, используется технология CMOS, причем размер элементов становится все меньше и меньше. Первые модели процессора Pentium (Pentium 60 и 66) выпускались в корпусе SPGA с 273 контактами, устанавливались в сокет 4, с минимальным размером СМОS- технологии 0,8 мкм, и их называют процессорами первого поколения. Рассчитаны они были на 5 вольт, поэтому сильно нагревались. Чем больше напряжение, тем сильнее нагревается процессор. Остальные типы процессоров уже относятся к второму поколению, называются Р54С, имели 0,6 и 0,35 мкм технологию, используют 3,3 вольт и меньше. Они имеют 296 контактный корпус SPGA, устанавливаются в сокет 5 и 7, и работают быстрее, чем системная шина, в отличие от процессоров первого поколения. Кроме того, у процессоров второго поколения имеется возможность значительного снижения энергопотребления в нерабочем состоянии и значительно усовершенствован сопроцессор.

Во всех моделях этого процессора имеется встроенный кэш первого уровня, который находится внутри процессора. Кроме того, он был увеличен до 16 килобайт и разделен на две части: одна для хранения данных, а другая - для хранения инструкций (команд). Кэш-память увеличивает производительность процессора за счет того, что обращение к ней происходит быстрее, чем к оперативной памяти.

Процессор Pentium, помимо высокой тактовой частоты, способен одновременно выполнять три операции: две с простыми числами в блоке самого процессора и одну с плавающей запятой в сопроцессоре, то есть имеет три модуля для обработки команд.

В дальнейшем развивался принцип, называемый спекулятивным или динамическим выполнением, при котором имеется механизм предугадывания следующей команды. Чем точнее предсказание, тем быстрее работает процессор. Примером цикла может служить последовательность обработки пикселов на экране по горизонтали. Одни и те же команды могут обрабатывать один пиксел, затем следующий, и так до конца строки. Другой цикл может обрабатывать строчки, вначале первую, затем вторую и так далее, до конца экрана.

При работе с двумя конвейерами можно написать программу, которая будет иметь две ветви, причем каждая из ветвей независима от другой, то есть создать так называемое поточное исполнение программ. Если вновь взять для примера экран, то обрабатывается независимо друг от друга верхняя и нижняя части экрана.

В последнее время для повышения производительности начали использовать приоритет посылки данных из оперативной памяти в центральный процессор перед операцией записи в нее. Это логически ясно: если процессору требуются данные для текущей операции, то он их не станет ждать, а если бы он их ждал, то находился бы в состоянии простоя.

Как уже говорилось, в данном виде процессоров реализован принцип конвейерной обработки, что позволяет обрабатывать несколько команд одновременно. При этом часть процессора, которая занимается декодированием инструкций и подготовкой данных, называется предпроцессором, собственно процессором можно назвать ту часть микросхемы, которая выполняет сами операции, и постпроцессором - ту часть процессора, которая передает полученные данные.

Как правило, ранние поколения процессоров назывались 286, 386, 486. Следовало ожидать, что следующий тип будет называться 586. Однако компания Intel, которая была первой в разработке типов процессоров, решила изменить название на нечто новое, с тем чтобы конкуренты не смогли использовать это название. Так появилось название Pentium. Основные конкуренты-производители процессоров компании Cyrix и AMD начали создавать процессоры со своими именами. Так появилось название 586 компании AMD, которая стоит дешевле, чем аналог Pentium компании Intel. В результате компания Intel вынуждена продавать свои процессоры также дешевле.

В целом, сравнивая процессоры разных компаний, можно убедиться, что они примерно равны по своим мощностям и возможностям. Трудность сравнения заключается в том, что имеются разные программы: одни используют в основном целочисленные логические вычисления, в других программах совершаются в основном арифметические операции, в третьих происходит пересылка большого количества данных. Имеются процессоры, которые на некоторых задачах лучше всего предсказывают, какие данные хранить в кэш-памяти первого уровня, чтобы не простаивал процессор, и так далее. Кроме того, программы могут работать с разной скоростью в разных операционных системах, таких, как ДОС и Windows, поэтому сравнение часто бывает условным.

Аналогично появился процессор 686 компании Cyrix, как следующее поколение процессоров. Это процессор, находящийся по возможностям между Pentium и Pentium Pro, ближе к 586 и устанавливается на плате в разъем, разработанный для процессора Pentium. Процессор Pentium имеет 64-разрядность (для внешней шины данных) и тактовую частоту от 60 Мгц до 200 и выше. Хотя энергопотребление снижено до 3,3 вольт и ниже, в силу увеличения количества работающих элементов он тоже требует установки вентилятора. Внутренний кэш уже больше и разделен на кэш для данных и кэш для команд. Их размеры у различных компаний-производителей неодинаковые и со временем увеличиваются.

В процессоре компании Intel дополнительно увеличено количество ступеней конвейера вычислений до пяти ступеней, два конвейера для обработки команд, то есть параллельно могут обрабатываться две команды, и он стал суперскалярным (был одноконвейерным или скалярным). Имеется буфер для предсказания переходов, в котором хранятся данные о последних 256 переходах (передачи управления), раздельный кэш команд и данных, более быстрый сопроцессор, введены средства управления энергосбережением, имеются и другие новшества, которые убыстряют работу данного процессора.

В процессорах компании AMD имеется 4 конвейера, большая кэш-память и некоторые другие возможности, в то же время он дешевле, чем процессор компании Intel. Для процессоров данной компании имеется другой критерий установки тактовой частоты. Процессор проверяется по производительности, используя специальный тест, затем выбирается наименьший результат среди процессоров Pentium по производительности. Данное значение и присваивается процессору компании AMD, например, Х5-100 выше по производительности, чем Pentium-100, но слабее, чем Pentium-120 (следующее значение среди процессоров серии Pentium по тактовой частоте).

Второй наиболее известной компанией, выпускающей процессоры для персональных компьютеров, является компания Cyrix, которая выпускает процессоры с названием Cyrix 6х86, стабильно работает как с 16-разрядными, так и с 32-разрядными приложениями. Отметим, что для обыкновенного пользователя вполне достаточно использовать компьютер с довольно небольшой тактовой частотой. Как правило, большая производительность требуется для игр.

Pentium ММХ создан в 1997 году и имеет тактовые частоты: 166, 200, 233. Следующей моделью серии Pentium стал процессор Pentium с приставкой ММХ (Pentium ММХ - произносится «Пентиум эм-эм икс»), созданный компанией Intel и часто называемый мультимедиа. Процессоры предыдущих поколений обрабатывают одно данное в текущий момент времени и не могут обрабатывать несколько одновременно. Для того, чтобы убыстрить работу, были введено 57 новых инструкций и восемь 64-разрядных регистров (машинных команд), которые могут обрабатывать несколько данных в одной команде, что особенно важно для программ, работающих с изображением и звуком.

Принцип работы данного вида процессоров следующий. Несколько однотипных данных соединяются вместе до 64-разрядного целого числа и одной командой за один такт обрабатываются одновременно. Например, если данное имеет длину 16 разрядов, то одновременно можно выполнить 4 (64=4*16) однотипных операций. Отметим, что данные для команд ММХ помещаются в регистры процессора с плавающей запятой, а не в общие регистры. Процессор, позволяющий работать с ними, назван ММХ.

Кроме того, в процессоре кэш для команд и данных увеличен в два раза и составляет по 16 Кбайт, увеличена длина конвейера до 6 ступеней, блок предсказаний взят у Pentium Pro, появился встроенный тест для работы процессора, имеются другие улучшения структуры процессора. Блок предсказаний может быть статическим, то есть предсказывать по определенным алгоритмам, и динамическим, то есть осуществлять анализ предыдущих ветвлений. В данном процессоре одновременно применяются статический и динамический блоки предсказаний переходов.

Другие компании также используют те же символы для обозначения своей продукции с набором расширенных команд. По этому поводу произошло судебное разбирательство между компанией Intel и ее конкурентами. Компания Intel проиграла этот процесс, и ее конкурентам разрешили использовать наименование ММХ на том основании, что это не торговая марка, а название продукции, имеющее определенные возможности. Поэтому сейчас можно встретить названия типа М2 (686 ММХ), К6-200ММХ и другие, где присутствует приставка ММХ. Материнская плата для Pentium ММХ такая же, как и для Pentium, однако содержит дополнительный разъем для питания процессора.

Для работы процессора с ММХ необходимо, чтобы программа могла использовать расширенные команды. Если программа создана в 1996 году и ранее, то вряд ли процессор будет работать с такими расширенными командами. Может ли программа, использующая дополнительные инструкции, работать с процессором Pentium без приставки ММХ? Как правило, да. Программа обычно определяет: работает ли процессор с набором команд ММХ, если нет, то будут использоваться обычные команды, однако это приведет к большему времени работы компьютера.

8 новых регистров - регистры сопроцессора. В сопроцессоре имеются регистры, которые имеют 16 бит, определяющие степень числа (экспонента) и 64 бита для мантиссы (значения после запятой). Команда мультимедиа использует 64-разрядную часть регистра, в которую можно поместить данные и их обработать. Например, если цвет пиксела на экране кодируется при помощи 8 бит, то в регистр можно поместить данные о восьми пикселах и обработать их одновременно. В то же время, при операциях с числами с плавающей запятой сопроцессор переключается в этот режим и начинает выполнять эти операции. При возникновении необходимости работать опять с командами ММХ снова происходит переключение. Операция переключения требует некоторого времени, что может замедлять работу процессора, но, если это происходит не часто, то в целом получается выигрыш по времени.

Таким образом, при работе с обычными данными производительность процессоров ММХ будет на 10-15% выше, чем простых процессоров Pentium. Программы, использующие возможности ММХ (в основном игры, просмотр видеофильмов, создание векторных рисунков), работают еще быстрее. Процессор ММХ выпускается по 0,35 мкм технологии, требует 3,3 и 2,8 вольт напряжения.

Для процессора используется специальное гнездо под названием Socket 7 (гнездо 7) или иначе называемое 7 ZIF (Zero Insertion Force 7 - вставка с нулевым усилием), требует 2 номинала напряжения питания и соответствующего программного обеспечения BIOS. Данный разъем используется и другими компаниями.

Pentium Pro создан в 1995 году и имеет тактовые частоты: 150, 166, 180, 200 Мгц. Внутренняя разрядность - 32, внешней шины данных - 64 и адресной шины данных - 36. Имеет кэш-память 1-го уровня для команд - 8 Кб и для данных - 8 Кб, включает встроенную в корпус кэш-память 2-го уровня, объем которой доходит до 1 мегабайта, повышенную устойчивость к сбоям, внутренний усовершенствованный сопроцессор, алгоритм предсказания ветвлений и другие возможности. В силу того, что этот процессор достаточно дорог, в домашних условиях и в небольших компаниях он используется редко.

Отличие этого процессора от процессора Pentium заключается в том, что, помимо встроенного кэша в процессор, он имеет кэш, который находится рядом с процессором в одном корпусе. Поэтому для передачи данных от процессора к кэш-памяти и обратно используется специальная шина данных. Если вначале кэш, встроенный в процессор или находящийся с ним в одном корпусе, назывался кэш-памятью первого уровня, а на материнской плате - 2-го уровня, то затем произошел переход к новому понятию, когда кэш, который находится в процессоре, называется кэшем первого уровня, кэш, который находится в корпусе с процессором и соединен шиной данных - 2-го уровня, тот, что находится на материнской плате - 3-го уровня.

В процессоре использован принцип динамического (или продуманного) исполнения, который позволяет выполнять следующие за текущей инструкции. Если команда, которая должна быть выполнена следующей, угадана правильно, то время выполнения команд может быть убыстрено, если не угадана, то следующая инструкция будет выполняться заново. Как правило, процент угадывания инструкций достаточно высок.

Процессор имеет 14 ступеней конвейерной обработки вычислений, три конвейера, высокую вероятность предсказания переходов в программе. Если переход предсказан неправильно, то буфер с результатами очищается. Данный процессор лучше всего работает в системе Windows NT, не дает особенных преимуществ при работе с 16-разрядными приложениями и быстрее примерно на 20-30 % по сравнению с Pentium для 32-разрядных приложений. Для данного типа процессоров используется специальная материнская плата, которая не подходит для процессоров Pentium, в которой используется сокет 7.

Pentium II создан в 1997 году на основе Pentium Pro с возможностями ММХ и имеет тактовые частоты: 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 Мгц, двойную независимую шину (Dual Independent Bus), улучшающую пропускную способность шины, встроенный механизм самотестирования, дополнительные режимы пониженного потребления и другие возможности. Тактовая частота кэш-памяти 2-го уровня вдвое меньше тактовой частоты процессора. У процессора Pentium Pro тактовая частота совпадала с тактовой частотой процессора. Для процессора с кэш-памятью 2-го уровня был разработан специальный SECС- картридж (Single Edge Contact Cartridge - картридж с односторонним контактом), в котором разместили процессор и кэш-память 2-го уровня. При этом кэш-память 1-го уровня увеличила свой объем.

Картридж так назван потому, что выводы на нем расположены вдоль одной стороны. Кроме того, из-за многочисленности контактов, чтобы они плотно входили в паз, стали использоваться ZIF гнезда (Zero Insertion Force - нулевая сила вставки) с рычажком, при помощи которого можно зажать контакты. Если раньше разъем, куда вставляется процессор, назывался Socket 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, то теперь название разъема стало называться Slot 1, который имеет 242 контакта. Все права на разработку данного разъема находятся у компании Intel, поэтому другие производители процессоров используют свои гнезда Socket, как правило, Socket 7.

Заметим, что процессор, спроектированный для одного вида разъема, в другой разъем не вставляется, поэтому при покупке материнской платы и процессора нужно убедиться в их соответствии.

Отличие от предыдущих процессоров заключается в использовании двух системных шин, одна между CPU и памятью RAM, вторая между CPU и кэш-памятью второго уровня, что позволило увеличить тактовую частоту шины с 66 Мгц до 100 Мгц (тактовые частоты процессоров 350, 400, 450 гц). Сам процессор располагается в специальном контейнере (SEСC-картридже), в котором находится процессор и кэш-память (512 кб), между которыми имеется специальная рабочая шина, работающая на половинной частоте процессора, и имеет код исправления ошибок (ЕСС). На корпусе процессора установлен вентилятор, а для подключения к материнской плате используется специальный новый разъем, который называется Slot 1.

Данный процессор использует отдельную шину для видеокарт AGP (Advanced Graphics Port - расширенный графический порт). Другие характеристики, включающие в себя: количество ступеней конвейеров (3) и предсказание переходов - аналогичны системе Pentium Pro. Pentium II Xeon характеризуется большим объемом кэш-памяти, которая работает на одной тактовой частоте вместе с процессором. Для установки процессора используется Slot, который имеет 330 контактов, расположенных на трех уровнях.

В 1998 годах выпущен процессор Celeron I с тактовыми частотами: 266, 300, 333, 366, 400, 433, 466, 500, 533, далее Celeron II 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800, 850, 900, который аналогичен процессору Pentium II ММХ, но не имеет или имеет меньшую кэш-память второго уровня, чем процессоры Pentium II. Модель Covington имеет встроенную кэш-память 32 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Mendocino имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Coppermine имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц, устанавливается для картриджа SECC в Slot 1, а PPGA в Celeron Socket. По параметру производительность/цена он имеет не лучший показатель в самых первых моделях, но неплохо зарекомендовали себя в последующем, включая самые последние модели. Преимуществом покупки данного процессора является возможность замены в будущем на новый процессор, так как не требуется смены других компонентов (например, материнской платы, памяти).

Celeron является удешевленным вариантом процессора Pentium II. Первые процессоры выпускались без встроенной кэш-памяти, однако из-за резкого падения производительности ее со временем стали устанавливать, но меньшего объема, учитывая, что для повышения производительности требуется небольшое количество этой памяти (128 Кбайт), а при ее резком увеличении производительность возрастает на небольшую величину. Поэтому наличие небольшого объема кэш-памяти оправдано. Кроме того, эти процессоры выпускались для работы с системной шиной 66 Мгц, а не 100, и расположены они в SEPP, устанавливающийся в Socket 370, который имеет 370 контактов и конструктивно представляет собой прямоугольник, как и разъем Socket 7.

Pentium III (1999 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров и позволяет работать с новым видом инструкций SIMD (Single Instruction Multiple Data - одиночная инструкция над одиночными данными, также называемая MMX2, KNI (Katmai New Instructions - новые команды Katmai)), которые работают с данными с плавающей запятой. Pentium III имеет старое название Katmai, является модификацией Pentium II. Данные операции повышают производительность трехмерной графики и видеоприложений. Кроме того, компания Intel осуществила переход на 0,18 мкм технологию (серии Coppermine и Xeon). Имеет тактовую частоту 533, 550, 600, 650, 667, 700, 733, 750, 800, 850, 866, 933, 1 000, 1 130, 1 200 и выше с частотой системной шины 100-133 Мгц, устанавливаются в корпусе PPDA в Socket 370 и SECC в Slot 1.

Для использования команд SIMD используются дополнительные 128-разрядные регистры. В этих регистрах можно одновременно выполнить несколько целочисленных операций или операций с плавающей запятой. Кроме того, имеются операции, специально предназначенные для кодирования и декодирования изображений, например, вычисление среднего значения из нескольких.

После того, как компания Intel ввела команды ММХ, компания AMD создала набор команд 3DNow!, которые повышают производительность компьютера, особенно для трехмерных задач в играх. Другие компании (Cyrix и пр.) также присоединились к этой технологии и стали выпускать процессоры, которые поддерживают данный набор команд, а компания Microsoft обеспечила поддержку этих команд в системе Windows. В ответ на эту разработку компания Intel и ввела новый набор команд SSE (Streaming SIMD Enhanced - потоковое расширение).

Возможности дополнительных наборов команд используются в основном в игровых программах, в других программах довольно редко, а 3DNow! используется более активно, так как входит в систему Windows.

Pentium II имел несколько видов процессоров, которым дали наименование при их разработке, это: Klamath, Deshutes, для Pentium III - Katmai, Coppermine, Tanner, Cascades, для Celeron - Covington, Mendocino, Coppermine. Pentium IV с тактовой частотой 1,4 Ггц имеет название Willamate, имеет кэш-память 1-го уровня 256 Кб, второго 512-1024 Кб, использует системную шину 100 Мгц и 133 Мгц, которая передает за один такт несколько данных. Таким образом, пропускная способность шины 133 Мгц достигает 3,2 Гбайт/сек, вставляется в Socket 462. Вышеописанные процессоры выпускаются в основном компанией Intel. Другие компании также выпускают свои процессоры, причем их параметры не сильно отличались для 86, 286, 386. Однако в 486 расхождения стали увеличиваться.

Процессоры, выпускаемые компанией-производителем, могут со временем корректироваться, то есть в них вносятся улучшения и выпускаются новые подверсии, однако пользователю они мало что говорят, и, как правило, о них не пишут.

Pentium IV (2001 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров на основе гиперконвейерной обработки с глубиной на 20 стадий, улучшенное предсказание переходов, имеет блок быстрого выполнения команд (Rapid Execution Engine) и скорость системной шины 400, 533, 800 Мгц. Кэш-память первого уровня содержит 8 кб (16кб для процессоров по 0.09 нм технологии), второго - 256 Кб (512 кб для процессоров по 0.13 нм технологии), отслеживает выполнение команд (Execution Trace Cache). Кэш-память второго уровня работает на половинной частоте центрального процессора. Частоты процессора бывают 1 300, 1 400, 1 500, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 600, 2 800, 3 00, 3 060, 3 200, 3 400 и более Мгц.

Центральные процессоры, работающие с системной шиной с частотой 800 МГц могут иметь следующие частоты: 2 400, 2 600, 2 8000, 3 000, 3 200, 3 400, 3 600 Мгц. С системной шиной 533 МГц - 2 260, 2 400, 2 530, 2 660, 2 800, 3 060 Мгц. С системной шиной 400 МГц - 1 700, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 500, 2 600 Мгц.

Отметим, что цифры частоты системной шины не соответствуют действительной частоте шины. Так, когда говорится о частоте 533 Мгц, то на самом деле она равна 133 Мгц, но за один такт посылает не одно данное, а четыре. Поэтому за одну секунду можно передать 133 * 4 = 532 миллионов бит, что округляется до 533 Мгц, что удобнее. На самом деле передача четырех данных за один такт по 133 Мгц шине несколько медленнее, чем передача одного данного по 533 Мгц шине. Происходит это из-за того, что при передаче возможны случаи, когда за один такт можно передать только одно данное, например, управляющий символ. Практически все частоты свыше 200 Мгц являются либо удвоенными, либо учетверенными от начальной частоты.

В последних моделях этих процессоров все чаще применяется новая технология, называемая Hyper-Threading, впервые примененная компанией Intel. Еще эту технологию называют «многопотоковой». Эти процессоры устроены таким образом, что операционная система видит не одно устройство, а как бы два, что позволяет выполнять многие приложения одновременно. Без этой технологии каждая программа выполняется последовательно и ожидает своей очереди на ресурсы процессора. Теперь, при совершении сложных вычислений, не происходит простоя в работе программ. Оптимально данная технология может использоваться в системе Windows ХР и более новых системах. В системе Windows 2000 после установки нового процессора, желательно заново установить операционную систему. В системах Windows 98 и Windows МЕ желательно в BIOS отключить функцию Hyper-Threading. Для того, чтобы узнать включена ли эта функция, нужно просмотреть указаны ли два процессора в режиме Пуск >Панель управления >Система>Оборудование >Диспетчер устройств >Процессоры.

Процессоры Pentium IV, изготовленные по 0,09 нм технологии, поддерживают новый вид командSSE3, в которых добавлены 13 новых команд. Процессоры поставляются вместе с вентилятором и наклейкой, на которой находится номер и марка процессора. Это сделано для того, что номер и марка процессора под вентилятором не видны. Наклеив наклейку на системный блок, можно без труда определить параметры процессора.

Здесь есть определенные ограничения. Многие тесты, запущенные на таких процессорах, позволяют с определенной степенью достоверностью утверждать, что прироста производительности при использовании наиболее распространенных программ, как Microsoft Word или Microsoft Excel не обнаруживается. Однако, при запуске программ со значительным количеством вычислений, требующих одновременной работы процессора, например, при применении фильтров в программе Adobe Photoshop, выигрыш может быть весьма значительным.

Mobile Pentium 4-M создан для ноутбуков в 2002-03 годах. (0.13 мкм, транзисторов 55 млн), кэш второго уровня 0.5 Мб, пропускная способность шины 400 Мб/с, поддерживает до 1 гигабайта оперативной памяти. Частоты - 1.4 - 2.6Ггц.