Глава 2
Процессоры
Сердцем любого персонального компьютера является процессор (часто используется термин – «микропроцессор»), который, как принято считать, занимается арифметикой и дает команды внешним устройствам. В какой-то мере это верно. Самые первые процессоры по-другому и не умели, т. к. их возможности были очень скромными. Но современный процессор скорее можно сравнить с небольшой бюрократической конторой, где есть начальник и множество исполнителей: секретарей, курьеров, делопроизводителей и прочего служивого народа.
Как самый настоящий начальник в конторе, процессор выдает приказы-распоряжения всем узлам компьютера, например, прочитать компакт-диск, сохранить в памяти данные, выключить питание. Распоряжения же выполняют другие специализированные процессоры, которыми снабжены все современные внешние устройства. Так что в компьютере, который тихо стоит на вашем столе, можно насчитать с десяток самых разнообразных микропроцессоров, правда, о них обычно даже не вспоминают.
Но, в то же время, процессору приходится также выполнять и арифметические функции. Даете процессору команду сложить два плюс два, и ему придется это делать самому. Правда, внутри процессора за такую операцию будет отвечать блок арифметических операций – безымянный конторский служащий. А за умножение или деление чисел с запятыми отвечает блок сопроцессора, который только и умеет очень быстро обсчитывать большие числа.
Конструктивно современный процессор в большинстве случаев представляет собой прямоугольный кристалл кремния, вмонтированный в керамический корпус, с одной стороны которого находятся несколько сотен золоченых ножек-штырей, а с другой стороны – металлическая крышка. Не впечатляюще, но зато внутри, на кристалле, расположены миллионы транзисторов, созданных с помощью сложнейших технологий.
История шаг за шагом
Чтобы понять, как работает современный процессор Pentium, лучше всего поэтапно вспомнить историю развития микропроцессоров семейства x86, т. к. каждый новый процессор обязан уметь понимать и выполнять все команды, которыми владели младшие модели. Поэтому даже те команды, которые требовались калькулятору, собранному на самых первых микропроцессорах Intel, выполняются и на сверхмощном Pentium. То есть нельзя забывать, что современные компьютерные технологии не создались на пустом месте и не являются раз и навсегда установленным сводом законов. Потребовался труд тысяч ученых и инженеров, чтобы обычный домашний компьютер мог так просто справляться с любыми заданиями – играми, музыкой, видеофильмами.
Персональный компьютер IBM
Началась история персональных компьютеров (еще есть термин – микроЭВМ) в 1981 г., когда корпорация IBM представила свою микро-ЭВМ IBM PC. Ее название попросту означало «Персональный компьютер IBM». (Этот же год стал счастливым для нынешнего компьютерного гиганта – корпорации Microsoft, которой IBM поручила разработать операционную систему для нового компьютера.)
Компьютер IBM PC не представлял собой ничего особенного: не слишком удачная механическая конструкция, неудобная внутренняя структура (архитектура), не самый удачный процессор от корпорации Intel, но все же именно потомкам этой, средненькой во всем, микро-ЭВМ предстояло завоевать 80 % рынка компьютерной техники за совсем короткий срок. А ведь микро– и мини-ЭВМ тогда разрабатывало и производило много фирм, и некоторые образцы даже по теперешним понятиям представляли собой, честно говоря, более совершенные системы.
И сама корпорация IBM, видимо, учитывая непритязательность своего детища, запатентовала только BIOS (Basic Input Output System, базовую систему ввода/вывода), не догадываясь о блистательном будущем своего детища, которое терялось на фоне основной продукции – больших ЭВМ (одних из лучших в то время). Тем более, что разработчики IBM позаимствовали многие технические решения у других фирм, например, идея так называемой открытой архитектуры была взята у фирмы Apple.
Пренебрежительное отношение IBM к своей "несерьезной" ЭВМ сыграло с компьютерным гигантом злую шутку – простота разработки дополнительных модулей и отсутствие необходимости лицензирования дало возможность появиться фирмам, которые стали производить самые разнообразные устройства, расширяющие возможности IBM PC. В дальнейшем появились и клоны (аналоги) микро-ЭВМ IBM PC. Правда, массовый характер это приняло после появления IBM PC XT.
Популярность их первенца у пользователей заставила фирму IBM в 1983 г. начать производство компьютеров IBM PC XT. Буквы XT были взяты из слова еХТга, что обозначало расширенные возможности нового компьютера по сравнению с предшественником. Именно появление IBM PC XT послужило тем водоразделом, когда многообразие типов компьютеров сменило многообразие аналогов. В этом процессе главную роль сыграли производители из Юго-Восточной Азии, и, в первую очередь, с Тайваня.
В 1984 г. появилось новое поколение IBM PC совместимых компьютеров – IBM PC AT (буквы AT обозначали улучшенную технологию, Advanced Technology). Это действительно было новое поколение компьютеров, а не совершенствование старых, т. к. основой, "сердцем" компьютера стал микропроцессор Intel 80286 (обычно говорят просто 286). Смена процессора позволила программистам использовать память за пределами 1 Мбайт без сложных аппаратных ухищрений, кроме того, появился защищенный режим работы, в котором работает операционная система Windows.
Микропроцессоры 80286 выпускала корпорация Intel, не зависящая от IBM, что делало эти микросхемы доступными всем желающим, поэтому уже через полгода появились совместимые с IBM PC AT компьютеры других производителей. Сначала их выпускали фирмы в США, но очень быстро почин подхватили фирмы Юго-Восточной Азии. Клоны продавались в 2–3 раза дешевле оригинальных моделей IBM, что делало персональные компьютеры доступными большому кругу пользователей.
Процессор 80286 имел ряд недостатков, особенно при работе в защищенном режиме, поэтому в 1986 г. появился новый процессор Intel 386, который и стал образцом для всех остальных процессоров семейства х86. Компьютер на базе процессора 386 уже может работать с большинством современного программного обеспечения, правда, очень медленно. Самая же любопытная история, связанная с этим процессором, это то, что не корпорация IBM выпустила первый компьютер с процессором i386. Неповоротливость колоссальной корпорации позволила небольшим, но честолюбивым фирмам, выпустить новые персональные компьютеры раньше создателей IBM PC.
Дальше – наше время – головокружительная гонка высоких технологий и потеря корпорацией IBM лидирующего положения в области разработки и производства персональных компьютеров. Все попытки IBM вернуть утерянные позиции с помощью создания новых стандартов, лицензии на которые предлагалось покупать очень дорого, привели к тому, что общепризнанными стандартами становились разработки других фирм.
Например, серия компьютеров IBM PS/2 не получила признания из-за попытки навязать производителям компьютеров лицензионную шину расширения МСА. Большинство производителей компьютеров не поддержали инициативу IBM, а пошли по пути разработки открытого стандарта, что обусловило более низкие цены на их компьютеры.
Сегодня 80 % компьютерного рынка – это персональные компьютеры на базе процессоров семейства х86 и их аналогов, среди которых наибольшую известность имеет семейство AMD. Но у такой мировой унификации персональных компьютеров есть и отрицательные черты – современным процессорам приходится подстраиваться под предшественника – Intel 8086. В Pentium быстрое внутреннее RISC-ядро вынуждено эмулировать работу старых процессоров со всеми их слабыми местами. Плюс наследство от IBM PC – низкоскоростной обмен с периферийными устройствами и оперативной памятью.
Сегодня хорошо видно, что требуется переход от старых технологий к новым, но мировая индустрия персональных компьютеров обладает огромной инерцией, что мы, как пользователи, постоянно ощущаем на себе. Вот самый яркий пример – время начальной загрузки компьютера, несмотря на 100-кратное возрастание частоты процессоров, так и не уменьшилось, а даже стало еще дольше из-за более громоздкого программного обеспечения. Таких примеров вы сами можете привести немало – только надо вспомнить и сравнить старое и новое.
Конечно, не все так плохо – ведущие производители уже давно работают над новыми стандартами для будущих поколений персональных компьютеров. Правда, прийти к общему мнению им пока не удается, но ряд тенденций уже наметился. В первую очередь – это отказ от громоздкой шины ISA, внедрение USB-интерфейса для внешних устройств, стандарта АТХ для блоков питания. Но все же чисто экономические причины заставляют пользователей покупать, а производителей разрабатывать и продавать персональные компьютеры и периферийное оборудование со старыми стандартами. Уж очень стремителен прогресс компьютерных технологий, а пользователю так трудно отказаться от компьютера, который хотя и куплен 2–3 года назад, но, к сожалению, уже морально устарел. Вот и получается, что мы стараемся продлить жизнь своим персональным "чудам", добавляя памяти, вставляя новые дисководы…
Процессоры Intel
История персональных компьютеров неразрывно связана с микропроцессорами корпорации Intel. Инженеры корпорации первыми создали микросхему, в которой целиком была смоделирована вычислительная машина – калькулятор. И в дальнейшем именно корпорация Intel разрабатывала наиболее массовые процессоры для компьютеров. Поэтому рассмотрим шаг за шагом, как усложнялись конструкции процессоров семейства х86. Желающие узнать об этом из первоисточника, могут заглянуть на русскоязычный сайт корпорации (http://www.intel.ru)[2].
Докомпьютерная эра
Первая «компьютерная» микросхема была разработана в 1971 г. (официальная дата рождения 15 ноября) инженерами корпорации Intel по заказу небольшой японской фирмы, которая производила настольные калькуляторы Busicom.
Микросхема получила обозначение 4004 (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Микросхема 4004
Примечание
На сервере корпорации Intel по адресу http://www.lntel.ru можно найти цветные фотографии кристаллов микросхем. Так, на фотографии кремниевого кристалла, который находится в микросхеме 4004, хорошо видны контактные площадки по краям, к которым припаиваются золотые проводки, ведущие к контактам корпуса микросхемы. Так как количество элементов на кристалле невелико, то ясно просматриваются отдельные элементы и напыленные проводники. В дальнейшем, по мере увеличения количества элементов кристалла и уменьшения их размеров, наглядность изображений значительно снижается.
Сегодня для обозначения процессоров часто добавляют букву "i" перед цифрами, например – i486, чтобы указать на изготовителя – корпорацию Intel, т. к. ряд фирм выпускают процессоры Intel по лицензии.
Технические характеристики 4004 в то время были довольно впечатляющие, хотя сегодня они вряд ли вызовут восхищение. Тактовая частота была всего 108 кГц, а количество выполняемых операций – 0,06 млн./с. По сравнению сегодняшними гигагерцами (миллиардами герц) совсем-совсем мало, но тридцать с небольшим лет назад это были отличные показатели.
Количество транзисторов в микросхеме составляло 2300 штук, которые выполнялись по 10 мкм технологии.
Размерность шины данных составляла совсем маленькую величину – 4 бита, а адресуемая память достигала 640 байтов (байтов, а не килобайт или мегабайт). Но поскольку основным назначением микросхемы было выполнение арифметических вычислений в калькуляторе, этого вполне хватало.
Вторая микросхема 8008, которая разрабатывалась одновременно с процессором 4004, появилась в апреле 1972 г. Ее тактовая частота достигла уже 200 кГц. Внешний вид микросхемы показан на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Микросхема 8008
В новом процессоре шина данных была удвоена до 8 битов. Количество транзисторов на кристалле достигло 3500 (технология 10 мкм), соответственно, адресуемая память возросла до 16 Кбайт (тысяч байтов). Обратите внимание, что количество транзисторов не увеличилось пропорционально увеличению шины, т. к. в новом кристалле расположили не два процессора 4004, а разработали другую схему.
Как сказано на сайте корпорации Intel, основное назначение микросхемы 8008 – это использование ее в терминалах ввода/вывода, калькуляторах общего назначения и автоматах бутылочного разлива, а также в обработке данных и текста.
Шина данных
На протяжении всей книги будет использоваться термин «размерность шины», например, 16-разрядная шина, 32-разрядная шина и т. д. В компьютерной индустрии это означает, что информация передается от устройства к устройству не по одному проводу, а параллельно по многим проводникам. Но, в любом случае, используется один общий провод, который называется «земля» или «общий».
На рис. 2.3 показаны четыре лампочки, управляемые четырьмя выключателями – это наглядная иллюстрация четырехразрядной шины данных.
Рис. 2.3. Иллюстрация работы четырехразрядной шины
Можно также вспомнить, как устроено освещение в квартире. Например, к люстре для включения света в комнате могут подходить 3 провода, т. е. здесь используется 2-разрядная шина.
Технологии
Независимо от того, как выглядит корпус процессора (часто используется термин «чип», от англ. chip), внутри обязательно находится тонкая кремниевая пластинка площадью около 1 квадратного сантиметра, на которой вытравлены микротранзисторы, резисторы, конденсаторы. Каждый элемент на кристалле соединяется с другими тонкими проводниками, которые создаются напылением на кремний пленки золота, алюминия или меди.
Производство микросхем напоминает печать обычных фотографий с помощью фотоувеличителя. Через фототрафарет, аналог фотопленки, засвечивается фотослой, который нанесен на кремниевую пластину. Потом ее многократно травят в химических реактивах и напыляют в нужных местах слои металла. При установке кристалла в корпус микросхемы контактные площадки на кристалле с помощью тонких золотых проводников соединяют с выводами микросхемы.
В современных процессорах количество транзисторов превышает несколько десятков миллионов штук, но вот размеры кремниевых кристаллов не могут быть большими. В первую очередь, это обусловлено огромной ценой больших кристаллов, да и размеры корпуса процессора ограничены. Поэтому при изготовлении процессоров используются самые передовые технологии. Даже можно сказать, что разработка новых процессоров всегда влечет появление новых технологий, т. к. эти микросхемы содержат больше всего различных элементов на кристалле.
Наиболее выгодно сокращать размеры элементов и толщину проводников, т. к. в этом случае на одном и том же кристалле можно разместить значительно больше транзисторов. В первых процессорах использовалась технология 10 мкм, означающая, что минимальная толщина проводников или геометрические размеры транзисторов на кристалле кремния могут быть не меньше 10 мкм. В последних разработках используется технология 0,13 и даже 0,08 мкм, а это уже соизмеримо с длиной волны солнечного света. Поэтому в техпроцессе начинают применять мягкое рентгеновское излучение и пучки электронов, как в кинескопах.
Примечание
Технический термин, например, "0,13 мкм технология" означает, что размер поликремниевого затвора транзистора, созданного на кремниевой пластине, не может быть меньше 0,13 мкм. Этот параметр не только характеризует геометрические размеры, но и напрямую связан со скоростью работы микросхемы и энергопотреблением. Уменьшение размеров элементов на кристалле позволяет увеличить рабочую частоту и уменьшить потребляемый ток и напряжение. В свою очередь, уменьшение энергопотребления позволяет увеличивать рабочую частоту. Можно сказать, что ключевая проблема современной микроэлектроники заключается в том, как отвести тепло, выделяемое при работе, от кристалла. Например, без внешнего радиатора современный процессор нагреется до температуры выше 100 градусов примерно за секунду.
8-разрядные микропроцессоры
Начало массового использования вычислительной техники следует отнести к моменту появления микропроцессора 8080. Эта очень простая по современным понятиям микросхема дала возможность многим пытливым умам попробовать себя на поприще создания компьютеров, что ранее было доступно только хорошо оснащенным лабораториям.
О начале выпуска процессора 8080 (рис. 2.4) объявили в апреле 1974 г. Количество транзисторов на кристалле достигло 6000 (технология 6 мкм).
Рис. 2.4. Процессор 8080
У 8080 поражала тактовая частота, которая достигла 2 МГц, что позволяло выполнять 0,64 млн. операций в секунду. Самым же важным было то, что шина данных работала с байтами — самыми простыми 8-битовыми машинными словами, что позволяло очень просто разрабатывать весьма разнообразные вычислительные устройства. Соответственно, увеличение разрядности шины данных позволило организовать адресуемую память размером 64 Кбайт – поистине, в те времена, фантастическая возможность для маленькой микросхемы.
По сравнению с процессором 8008, производительность 8080 возросла в десять раз. Наиболее важным следствием появления 8080 стало то, что для создания вычислительного устройства теперь не требовалось очень много вспомогательных микросхем. То есть появилась возможность разрабатывать небольшие и надежные вычислительные системы на одной плате.
На процессоре 8080 был собран один из первых персональных компьютеров "Altair computer". Вспомнить об этом компьютере следует еще и потому, что для его самостоятельной сборки было выпущено несколько десятков тысяч комплектов, которые пользовались колоссальным успехом. В дальнейшем множество фирм использовали 8080 в самых разнообразных конструкциях. Можно вспомнить и первый в России радиолюбительский компьютер "Радио 86РК", который до появления схемы компьютера "Синклер" был самой популярной компьютерной самоделкой у радиолюбителей.
Справедливости ради надо упомянуть, что аналогичные процессоры выпускали и другие фирмы. Некоторые модели имели значительно лучшие параметры, чем 8080. Заметим также, что в то же время было абсолютно не ясно, какой процессор станет наиболее массовым, и никто не догадывался, что потомки 8080 будут использоваться в 80 % компьютерах. Вполне вероятно, что благосклонность судьбы могла бы обернуться в сторону другого процессора, тогда у нас на столах стояли бы не Intel Pentium, a DEC, Apple или еще какая-либо фирменная марка. Но сложилось так, что именно потомки Intel 8080 проникли во все уголки человеческого бытия.
Простота и ясность системы команд вызвала появление аналогов процессора Intel 8080, а самым известным из них, который до сих пор пользуется популярностью и работает во многих АОНах и игровых приставках – это Z80. Причем фирма Zilog не просто скопировала микросхему корпорации Intel, как сделали в России, выпустив полный, но уже устаревший аналог под названием К580ВМ80, а более совершенную микросхему. Заметим, что домашние компьютеры на Z80 не уступали по производительности при работе с графикой персональным компьютерам на более мощном процессоре 80286.
Самым большим недостатком у процессора 8080 было то, что ему требовалось сразу три напряжения питания: +5, —5 и +12 В. Из-за такой особенности блок питания зачастую был сложнее и конструктивно крупнее, чем контроллер или компьютер. Поэтому в марте 1976 г. появился процессор 8085, усовершенствованный вариант 8080, в котором, к сожалению, были улучшены лишь вспомогательные параметры.
В новом процессоре количество транзисторов увеличилось до 6500 (технология 3 мкм). Тактовая частота возросла до 5 МГц, а производительность до 0,37 млн. операций в секунду. Вместо трех напряжений питания требовалось лишь одно – 5 В.
Этот процессор стал основой многих микроконтроллеров в самых разнообразных изделиях: системах зажигания в автомобилях, приборах для регистрации кардиограмм, элементах управления приводами магнитных дисков в компьютерах IBM PC и т. д. Так, теряясь в лучах славы других процессоров Intel, восьмиразрядный предок выполнял черновую работу в персональных компьютерах. И если разобраться с конструкцией персонального компьютера совсем недавнего прошлого, то в нем, кроме центрального процессора из семейства x86, всегда имелось еще несколько восьмиразрядных 8085, несущих самые разнообразные функции.
16-разрядные процессоры
В июне 1978 г. корпорация Intel выпустила процессор 8086, а ровно через год – 8088, которые и положили начало эры персональных компьютеров в современном понимании этого термина.
Процессоры 8086/8088 (рис. 2.5) стали сердцем компьютеров – сначала IBM PC, а потом и IBM PC XT. Их конкуренты, а их было немало, просто по экономическим причинам оказались не в состоянии конкурировать с Intel, IBM и фирмами Юго-Восточной Азии, занимавшимися клонированием популярных изделий.
Рис. 2.5. Процессор 8086/8088
На момент выпуска процессора 8086 его тактовая частота составляла 5 МГц, скорость выполнения операций достигала 0,33 млн. операций в секунду. Далее были выпущены более быстрые процессоры с тактовой частотой 8 и 10 МГц, у которых производительность возросла соответственно до 0,66 и 0,75 млн. операций в секунду.
Количество транзисторов на кристалле процессора 8086/88 достигло 29 000, что просто поражало воображение. В производстве использовалась технология 3 мкм, проводники такой толщины уже не видны невооруженным глазом.
Еще большее изумление вызвала возможность адресовать 1 Мбайт оперативной памяти, используя шестнадцатиразрядную шину данных. Фактически, такими возможностями тогда обладали большие вычислительные машины. В то время, например, размер оперативной памяти в 64 Кбайт казался верхом совершенства.
Можно сказать, что появление первого шестнадцатиразрядного процессора, который позволял использовать столько оперативной памяти, хотя это и было преждевременно, открывало перед программистами колоссальное поле деятельности. То есть в руки рядовых программистов попадал компьютер, не уступавший по своим возможностям труднодоступным машинам вычислительных центров.
Понимая, что шестнадцатиразрядная шина появилась преждевременно, т. к. требовала удвоенного количества интерфейсных микросхем, в июне 1979 г. корпорация Intel объявила о выпуске процессора 8088. Разница между ним и процессором 8086 состояла в том, что разрядность шины данных была сокращена до 8 битов. Это позволяло сохранять некоторую преемственность между конструкциями на восьмиразрядных процессорах и первыми процессорами линейки х86. Естественно, уменьшалась цена компьютеров, собранных на процессоре 8088, что, в общем-то, и определило успех компьютера IBM PC и его клонов.
Процессор 8088 выпускался с тактовыми частотами 5 МГц (0,33 млн. операций в секунду) и 8 МГц (0,75 млн. операций в секунду). Все остальные параметры соответствовали его предшественнику.
По мере снижения стоимости интерфейсных микросхем и увеличения их сложности процессор 8088 уступил место в компьютерах своему предку.
Процессор 80186
Для применения в различных контроллерах корпорацией Intel на базе процессора 8086/8088 в 1982 г. были выпущены процессоры 80186/80188, у которых на одном кристалле находился не только центральный процессор, но и периферийные устройства. Так как предполагалось использовать эти микропроцессоры в качестве встроенных интеллектуальных устройств для самых различных промышленных систем, то интегрированные в него периферийные устройства имели интерфейсы, не совместимые со спецификацией IBM PC.
На кристалле процессора 80186/80188 удалось расположить контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, трехканальный таймер и генератор синхроимпульсов. Процессоры 80C186/80C188, изготовленные по более современной технологии, имели не только пониженную потребляемую мощность, но и систему управления энергопотреблением.
Присутствие на одном кристалле всех необходимых периферийных устройств позволило использовать эти микропроцессоры для управления самыми разнообразными устройствами. Например, модемы фирмы U.S. Robotics не в малой степени обязаны своей популярностью именно применением в них микропроцессоров 80186/80188. Это позволило не только удешевить конструкцию и повысить надежность работы сложного электронного устройства, но и очень быстро, за счет смены микропрограммы, выпускать на рынок новые типы модемов.
Процессор 80286
Второе поколение 16-битных процессоров в линейке x86 – это 80286, о котором объявили в феврале 1982 г. Для него впервые стало использоваться сокращенное обозначение – 286-й процессор (подобная практика использовалась потом и для процессоров 80386 и 80486, кстати, Pentium – это тот же 586).
Хотя процессор 80286 получился со многими недоработками и в большинстве случаев использовался как быстрый 8086, его появление обеспечило победу IBM PC совместимым компьютерам и операционной системе MS-DOS в конкурентной борьбе с другими фирмами.
Процессор 80286 (рис. 2.6) выпускался с тактовыми частотами 6, 10 и 12 МГц, что составляло скорость выполнения 0,9, 1,5 и 2,66 млн. операций в секунду. Количество транзисторов превысило 134 000 (использовалась технология 1,5 мкм).
Рис. 2.6. Процессор 80286
Основная задача, которую хотели решить инженеры корпорации Intel, – это создание процессора для многопользовательских и многозадачных систем. Для этого в процессор была встроена четырехуровневая система защиты, механизм переключения задач и поддержка виртуальной памяти. Режим работы с такими возможностями был назван защищенным режимом виртуальной адресации (Protected Virtual Address Mode), сегодня для него используется термин – «защищенный режим» (Protected Mode). В этом режиме работают все многозадачные операционные системы, в том числе и Windows.
Суть этого режима вот в чем. Многопользовательский режим в однопроцессорных компьютерах реализуется на принципе выделения выполняемым задачам (программам) небольших квантов времени, в течение которых все разрешенные для данной задачи ресурсы процессора и внешних устройств принадлежат конкретной задаче. При переключении по сигналу таймера на другую задачу все текущие данные, относящиеся к первой задаче, сохраняются в специально выделенной памяти (обычно это стек), а процессор начинает выполнять инструкции другой программы. Когда приходит время выполнения первой задачи, сохраненные ранее ее текущие данные загружаются из стека, что создает видимость непрерывного выполнения задачи. Процессор продолжает выполнять прерванную задачу с того момента, когда она была отложена.
Чтобы прерванная задача могла без проблем продолжать свою работу, требуется защитить данные, которые она использует, от воздействия любых других задач. В первую очередь должны быть защищены блоки оперативной памяти, с которыми работает данная программа (отсюда и пошло название режима). Во-вторых, надо присвоить каждой задаче определенный уровень привилегий (возможность использовать те или иные ресурсы компьютера).
В защищенном режиме 24-разрядная шина адреса позволила программисту использовать 16 Мбайт памяти, а при включении механизма страничной адресации отображать до 1 Гбайт так называемой виртуальной памяти.
Для использования новых возможностей была расширена система команд 8086, что дало толчок началу процесса "простого" добавления новых команд к старым.
Если до появления чипа 80286 любая ошибка в конструкции какого-либо микропроцессора приводила к его провалу на рынке, то, начиная с этого процессора корпорации Intel, несуразицы в конструкции стали использоваться программистами и разработчиками. А самое удивительное, в последующих версиях процессоров корпорации Intel и их аналогов от других производителей такие просчеты закреплялись как стандарт de-facto. Только грубые (очевидные) ошибки исправлялись, и корпорация брала на себя обязательства по замене дефектных чипов.
Вот тут можно сказать, что случайно допущенные ошибки в архитектуре этого микропроцессора дали возможность программистам принимать весьма оригинальные решения при создании программного обеспечения. Поэтому, в дальнейшем, новые процессоры корпорации Intel и все IBM PC совместимые компьютеры вынуждены были поддерживать проблемы архитектуры 80286.
Наиболее очевидная, причем грубая ошибка – это неправильная адресация памяти в реальном режиме. Но она оказалась настолько "удачной", что ее восторженно приняли программисты, которым уже не хватало ресурсов памяти стандартной архитектуры 8086. А вот защищенный режим адресации памяти в 286 процессоре остался, в большинстве случаев, не востребованным – слишком много оказалось технических проблем, а, точнее, недоработок, которые мешали использовать такую возможность.
В заключение следует обратить внимание, что два процессора из линейки х86 – 8088 и 80386SX, являются переходными моделями, т. к. были разработаны в целях удешевления персональных компьютеров, собранных на их основе. Оба микропроцессора были как бы шагом назад по сравнению с базовым аналогом. Сохраняя все программные возможности, они имели укороченную в два раза шину данных. Такое техническое решение позволяло удешевить производство персональных компьютеров – 8088 имел 8-разрядную шину данных, сохраняя 16-разрядную архитектуру, a 80386SX для совместимости с 80286, которой на самом деле не оказалось, получил 16-разрядную шину данных.
Так как выпуск 16-разрядных процессоров был пионерской разработкой, которая внесла в компьютерный мир много нового, то именно архитектуре этих процессоров стали подражать большинство разработчиков микросхем. Теперь можно сказать, что процессор 8086 стал родоначальником семейства процессоров х86, которое явилось эталоном для подражания.
К сожалению, новые идеи и конструкции всегда несут в себе ошибки и проблемы. Не стал исключением и 8086, который как бы заложил мину замедленного действия для своих потомков.
В первую очередь – сумбурную, сложную и малопонятную систему команд, которая сегодня заставляет использовать в современном процессоре х86 две системы команд – одну для ядра, которое выполняет основные операции в процессоре, а вторую для общения с внешним миром. Отсюда необходимость специальных блоков внутри процессоров для перевода команд из одной системы в другую.
Второй серьезный недостаток – малое количество оперативных регистров – ячеек внутри процессора, которые служат для запоминания команд и операндов. Для текстового режима, в котором работали в то время все компьютеры, регистров и их размерности хватало, но в графическом режиме такая архитектура требует много лишних команд для пересылки данных из регистров в оперативную память и обратно.
Если проанализировать дальнейшее развитие семейства х86, то основные направления совершенствования, в большинстве случаев, касались преодоления проблем архитектуры 8086. Сегодня можно констатировать, что современные Pentium обладают самой сложной, не поддающейся логическому объяснению системой команд. Правда, в процессоре Pentium 4 наметились новые подходы решения накопившихся проблем.
32-разрядные процессоры
Сегодня программисты обычно уже не вспоминают о 16-разрядных процессорах и разрабатывают новые программы с учетом того, что они будут использоваться на компьютере с процессором не ниже 80386 (конечно, с тактовой частотой 33 или 40 МГц). К тому же, только в последних моделях процессоров Intel и AMD внутренняя архитектура перестает быть улучшенным вариантом 286/386. Можно сказать, что сейчас происходит не просто увеличение разрядности процессоров и смена их поколений, а идет мучительный поиск наиболее оптимальных принципов работы будущих компьютеров.
Если вспомнить, то именно неудачная архитектура 80286 и защищенного режима, который, как надеялись разработчики, позволит реализовать для персональных компьютеров многозадачную работу, заставила инженеров корпорации Intel очень серьезно подойти к разработке архитектуры 32-разрядного процессора. Перед ними стояла непростая задача – сохранить возможность использования уже наработанного программного обеспечения и предусмотреть удобное применение процессора в многозадачных системах.
Использование в новом процессоре полной 32-разрядной архитектуры, конечно, было не совсем оправданным, но закладывало необычайно большой резерв возможностей, на которые можно будет опереться в будущем. Это подтвердил тот факт, что только Windows 95 стала первой массовой операционной системой, использовавшей все возможности Intel 386, а до этого основной режим, для которого создавалось подавляющее число программ, был 16-разрядным.
Когда, 17 октября 1985 г., было объявлено о начале выпуска 32-разрядного процессора Intel 80386, особого интереса это событие в то время не вызвало. Программистам вполне хватало возможностей 80286 процессора, а 32-разрядная арифметика считалась непозволительной роскошью. Тогда никто из рядовых пользователей не думал, что архитектура и принципы Intel 386 станут образцом на долгие годы, утвердив доминирование корпорации Intel в компьютерном мире. Только на переломе веков, спустя 15 лет, стали производиться 64-разрядные процессоры, предназначенные для применения в персональных компьютерах.
Процессор Intel 386
Процессор 80386 выпускался достаточно долгое время в самых различных модификациях. Первая версия процессора имела тактовую частоту 16 МГц, выполняя от 5 до 6 млн. операций в секунду. В 1987 г. тактовая частота увеличилась до 20 МГц (от 6 до 7 млн. операций в секунду). Планка в 25 МГц была взята в 1988 г. (8,5 млн. операций в секунду). Дальнейшее улучшение технологии позволило в 1989 г. достичь частоты в 33 МГц (11,4 млн. операций в секунду).
Количество транзисторов в процессоре 80386 (рис. 2.7) достигло рекордной для того времени величины – 275 000 (вначале использовалась технология 1,5 мкм, а в дальнейшем – 1 мкм).
Рис. 2.7. Процессор 386
С помощью нового процессора стало возможным адресовать 4 Гбайт памяти, а размеры виртуальной памяти достигли 64 Тбайт (терабайт). В 1985 г. такие возможности были просто ошеломляющи, но посмотрите на свой персональный компьютер – сегодня винчестер в 4 Гбайт явно маловат для мультимедийных применений!
Процессор 80386 выпускался не только корпорацией Intel, но и многими другими фирмами в самых разных модификациях. Например, наиболее популярным вариантом корпуса стал пластмассовый с планарными выводами, которые припаивались к материнской плате, что не допускало смены процессора. А компьютеры с таким типом процессора, которые до сих пор с успехом используются, имеют тактовые частоты 33 и 40 МГц. Заметим, что для промышленных компьютеров даже сейчас выпускаются не только процессоры 386, но и 16-разрядные 8088 и 80286.
Несмотря на тщательность проработки конструкции, к великому сожалению, в первых версиях процессора Intel 386 содержалась ошибка, касающаяся выполнения 32-разрядных арифметических операций. Поэтому на корпуса процессоров, которые неправильно функционируют в 32-разрядном режиме, нанесена маркировка "16 bit operations only". То есть такие процессоры могут правильно выполнять только программы, работающие в 16-разрядном режиме, а, например, установить Windows 95 на компьютер с таким процессором не удастся.
Так как многие возможности Intel 386 довольно долгое время были не востребованы широким кругом пользователей, то для уменьшения цены на компьютеры в 1988 г. был выпущен процессор, который маркировался суффиксом SX. Процессор Intel 386SX, как и 8088, обладал сокращенной в два раза шиной данных, а для адресации ячеек памяти использовалось всего 24 разряда вместо 32-х. После выхода Intel 386SX полноразрядные варианты стали носить название Intel 386DX.
Для портативных компьютеров в 1990 г. был выпущен процессор Intel 386SL. Он полностью повторял основные технические характеристики Intel 386SX. Для целей энергосбережения использовались технические решения, которые позволяли отключать неиспользуемые внутренние блоки. Кроме того, в архитектуру процессора включили кэш-память и средства управления памятью. Количество транзисторов в процессоре увеличилось до 855 000 (технология 1 мкм).
Сопроцессоры
Прежде чем мы перейдем к обсуждению процессоров Intel 486, которые относятся ко второму поколению 32-разрядных процессоров, надо вспомнить еще об одной линии компьютерных микросхем – математических сопроцессорах, предназначенных для использования в компьютерах.
Когда-то тема использования сопроцессора была так же актуальна, как сегодня диспут о различных ускорителях для видеокарт. Теперь же, когда в процессорах Pentium сопроцессор встроен непосредственно в ядро, являясь одним из его многочисленных логических блоков, о нем вспоминают только программисты. Но поскольку принципы работы встроенного сопроцессора остались неизменными, и с учетом того, что в процессорах Pentium ММХ регистры сопроцессора используются по другому назначению, то кратко рассмотрим историю развития и этого семейства микросхем.
У компьютеров минимальная единица данных – это бит, который может быть равен 0 или 1. Наиболее популярное машинное слово – байт, в котором 8 битов. Если в байте все биты равны нулю, то считается, что в байте записано число 0.
Добавляя по 1 к содержимому байта, мы получим ряд:
• 0000 0001 – десятичное число 1;
• 1111 1111 – десятичное число 255 (в ряде случаев компьютер считает, что это минус единица).
Получается ряд целых чисел: 0, 1, 2, 3, …, 100, …, 255.
Микросхемы процессоров, рассматриваемые в этой книге, могут отлично проводить арифметические действия с любыми целыми числами: сложение, вычитание, умножение и деление. Но если попросить разделить, например пять на два, то процессор честно ответит – два. Оказывается, число 1,5 неизвестно процессору, т. к. оно является дробным числом.
Сделаем здесь небольшое отступление и рассмотрим используемые в информационных технологиях системы счисления. В компьютерной литературе широко используется двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Для непрограммиста такой подход несколько неожидан, т. к. в реальной жизни используется десятичная система счисления, например нумерация страниц этой книги. Правда, современный человек вполне усвоил, что компьютеры оперируют двоичной системой счисления: да – нет или 0–1, а вот шестнадцатеричная система счисления вызывает множество вопросов. Но тут следует сказать, что для описания работы современных процессоров такая система счисления дает возможность легко понимать содержимое регистров и разбираться с адресной информацией.
Для удобства запоминания связи между разными системами счисления рассмотрите табл. 2.1 и попробуйте перевести, не смотря уже в таблицу, несколько десятичных чисел, например 11 и 68, в разные системы счисления.
Обозначают, в какой системе счисления записано число, несколькими способами. Для шестнадцатеричных чисел наиболее очевиден вариант, когда к числу добавляется приставка Hex или Н. Но программисты обычно используют другой способ, который применяется в листингах программ и конфигурационных файлах. В этом случае шестнадцатеричное число начинается символами "0х", например 0x1, 0x367, 0xFF71.
К двоичные числам добавляется символ "Ь", например 100111b.
Для обозначения десятичных чисел в большинстве случаев не применяют дополнительных символов, хотя иногда может добавляться символ "D". В основном, такой способ выделения десятичных чисел применяется в литературе по языку Ассемблера.
Системы счисления
Итак, возвращаясь к процессорам, заметим, что для вычисления дробных чисел используются специальные подпрограммы, которым требуется не один машинный такт, за который процессор может сложить два целых числа, а значительно больше. То есть при использовании в прикладной программе дробных чисел скорость работы компьютера резко снижается. Еще хуже дело обстоит, когда нужно рассчитать траекторию точек на окружности, используя тригонометрические функции – компьютер может задуматься очень надолго.
Для ускорения работы компьютера уже в эру процессора 8086 выпускались математические сопроцессоры, которые умели быстро выполнять операции с дробными числами, плавающей точкой, вычислять тригонометрические, экспоненциальные и логарифмические функции. На старых системных платах рядом с процессором (его также называют центральным процессором), всегда находился сокет для математического сопроцессора.
Аппаратный интерфейс позволял подключать сопроцессор непосредственно к выводам центрального процессора. Если в процессе работы программе надо было использовать сопроцессор, то центральный процессор передавал данные сопроцессору. Шина данных, когда это было нужно, переходила в распоряжение сопроцессора.
Математические сопроцессоры выпускались для процессоров 8086/8088, 80256, 80386 и имели маркировку 8087, 80287 и 80387. С первыми процессорами 486, в которых не было блока сопроцессора, можно было использовать сопроцессор 80387.
Пользователь для ускорения работы своего персонального компьютера мог купить сопроцессор и самостоятельно установить его в соответствующий сокет. Так как сопроцессоры были дорогими, то вместо микросхемы 80287 можно было установить 8087, а вместо 80387 – 80287.
Процессор Intel 486
10 апреля 1989 г. было объявлено о выпуске процессора Intel 486DX. Архитектура процессора не была повторением или улучшением Intel 386, а представляла совершенно оригинальное решение. Фактически, это была настоящая вычислительная машина, выполненная на одном кристалле кремния, у которой имелась оперативная память, периферийные устройства и даже набор микропрограмм для обработки внешних команд. По сути это означало возможность совершенствования внутреннего устройства микросхемы процессора, не меняя внешнего интерфейса. То есть появлялась возможность многократно увеличивать производительность компьютера, меняя только процессор (для компьютеров с процессором Intel 386, например, нужно было повышать тактовую частоту, но это требовало серьезной доработки системной платы, поэтому чаще всего процессор с частотой 33 и 40 МГц припаивался, а не устанавливался в сокет).
Если рассмотреть внутреннее устройство нового процессора, то оказывалось, что он только внешне напоминал Intel 386, хоть и работал с системой команд х86. "Внутри" использовался RISC-процессор, который имел сокращенный набор команд х86, а остальные команды, которые он не мог выполнять непосредственно, преобразовывались вспомогательными блоками в цепочку инструкций. Такое оригинальное решение было вызвано тем, что программисты использовали, в большинстве случаев, ограниченный набор команд процессоров х86 (CISC-процессоров), а остальные появлялись в программах крайне редко. Поэтому использование ядром сокращенного набора команд позволяло упростить конструкцию микросхемы и увеличить скорость работы процессора.
Примечание
CISC (Complex Instruction Command Set) – процессор с полным набором команд, в частности, это процессоры семейства х86. Набор команд CISC (концепция CISC) был разработан для удобства программистов, которые в те давние времена вынуждены были писать программы для маломощных компьютеров на языке Ассемблера (очень кропотливая и нудная работа!). Для ускорения процесса разработки программ в систему команд CISC были введены удобные команды, которые как бы представляли собой маленькие подпрограммы. В итоге, команды CISC-процессора имеют разную длину и время выполнения. К тому же CISC-процессор не отличается высокой производительностью, т. к. для выполнения некоторых команд требуется несколько машинных тактов.
RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессор с сокращенным набором команд. В процессорах с набором команд (концепцией) RISC все команды имеют одинаковую длину и формат, а также простую адресацию памяти. Каждая команда выполняет только простые действия за один такт. Программный код для таких процессоров легко поддается оптимизации, поэтому удается получить большую производительность для одной и той же технологии.
Разделение внутренней архитектуры на ядро и периферийные блоки в дальнейшем позволило организовать работу ядра на повышенной частоте. То есть интерфейс процессора работал на тактовой частоте, которую поддерживала системная плата, а ядро функционировало на более высокой, например, удвоенной или утроенной тактовой частоте.
Так как использование математического сопроцессора в компьютерах оказалось отличным способом повышения производительности, то в процессоре Intel 486 его разместили непосредственно на кристалле, сохранив программную совместимость с сопроцессором 80387.
Дополнительным способом повышения производительности оказалось решение разместить на кристалле также и кэш первого уровня. Теперь кэш второго уровня, который оставался на системной плате, использовался только тогда, когда не хватало объема внутреннего кэша.
Кроме изменения внутренней архитектуры, в процессоре Intel 486 появилась возможность работать с внешней памятью в пакетном режиме. Данный режим характеризуется тем, что процессор может прочитать или записать данные в ОЗУ целым блоком, не указывая каждый раз конкретную ячейку памяти. Так, указав адрес начала требуемого блока памяти чипсету (микросхемам системной платы, которые отвечают за работу с памятью и интерфейсами), процессор последовательно обращается к ячейкам памяти, тем самым сокращая время для пересылки данных.
Такие нововведения в архитектуру процессора в дальнейшем позволили совершенствовать как сам процессор, так и конструкцию системной платы, а также создавать новые типы микросхем оперативной памяти. Заметим, что пакетный режим стал наиболее популярным в настоящее время для процессоров класса Pentium.
Процессоры DX, DX2, DX4…
Второе поколение 32-разрядных процессоров выпускалось длительное время. Было разработано множество различных их модификаций, причем в совершенствовании архитектуры 486 процессора приняли активное участие конкуренты корпорации Intel, которые разработали уникальные, зачастую даже более эффективные модели процессоров, конструктивно и программно совместимых с продукцией корпорации Intel. Можно сказать, что на конструкции процессора 486 мировая компьютерная промышленность отрабатывала те технологии, которые сегодня стали стандартом для современных компьютеров с процессорами Pentium и Athlon.
Первые процессоры Intel 486DX имели тактовую частоту 25 МГц, выполняя 20 млн. операций в секунду (специальные тестовые программы показывали следующие значения производительности: 16,8 SPECint92, 7,40 SPECfp92). В 1990 г. начат выпуск процессоров с тактовой частотой 33 МГц (27 млн. операций в секунду, 22,4 SPECint92), в 1991 г. – 50 МГц (41 млн. операций в секунду, 33,4 SPECint92, 14,5 SPECfp92).
Примечание
Специалистам, да и простым пользователям, всегда интересно знать, какой процессор более быстрый, более производительный и т. д. Для первых поколений процессоров, у которых была достаточно похожая архитектура, можно было использовать показатель MIPS (Mega Instruction Per Second), который говорит о том, сколько миллионов элементарных операций в секунду может выполнить процессор. Но вот при появлении процессоров с сильно различающейся архитектурой такой показатель перестал устраивать, т. к. один процессор быстрее выполнял математические операции, а другой лучше работал с графикой. Для сравнения различных процессоров стали использовать специальные комбинированные тесты, в которых использовались различные наборы операций, вначале – это операции с целыми и вещественными числами, а потом обработка изображений (чаще всего, моделирование 2D– и 3D-объектов).
Наиболее популярной единицей измерения производительности для первых 32-разрядных процессоров стал индекс ICOMP Index, который предложила корпорация Intel. Этот индекс вычислялся на основе ряда тестов, в том числе тестов SPEC, которые представляли собой смесь из операций с числами. В дальнейшем, когда производительность процессоров стала слишком велика для этих тестов, были придуманы другие тесты, например популярны некоторые версии теста Intel Media Benchmark, в котором моделируются различные 3D-объекты. Но, как следует заметить, прямой зависимости между теми или иными показателями нет, тем более, что каждый тест рассчитан на определенный круг типов процессоров.
Количество транзисторов в микросхеме процессора впервые перевалило миллионную отметку – 1 200 000 по технологии 1 мкм, а в процессорах с тактовой частотой 50 МГц применялась уже 0,8 мкм технология. Размер адресуемой памяти составлял 4 Гбайт, а виртуальной памяти 64 Тбайт, что повторяло возможности Intel 386.
Следуя принципам, отработанным при выпуске процессоров Intel 386, в 1991 г. появился упрощенный вариант Intel 486SX. Основное отличие этого процессора от базового состояло в том, что в нем отсутствовал математический сопроцессор.
Процессор Intel 486SX выпускался с тактовыми частотами: 16 МГц (13 млн. операций в секунду), 20 МГц (16,5 млн. операций в секунду), 25 МГц (20 млн. операций в секунду, 12 SPECint92) и 33 МГц (27 млн. операций в секунду, 15,86 SPECint92). Количество транзисторов на кристалле составляло 1 185 000 (технология 1 мкм) и 900 000 (технология 0,8 мкм).
Для модернизации компьютеров, в которых использовался процессор Intel 486SX, корпорация предложила интересный в то время вариант – замену старого процессора на специальный процессор. Такая операция позволяла за небольшие деньги резко повысить потребительские свойства компьютера, заменив один только процессор. Выпускались такие процессоры под названием Intel OverDrive. Правда, стоит отметить, что в России процессоры Intel OverDrive оказались большой редкостью, да и эффективнее оказалось одновременно заменить и процессор, и системную плату на более новые.
Для ноутбуков, которые к этому времени стали очень популярны, в ноябре 1992 г. был выпущен процессор Intel 486SL. Первый процессор работал на тактовой частоте 20 МГц (15,4 млн. операций в секунду), в дальнейшем частота возросла до 25 МГц (19 млн. операций в секунду) и 33 МГц (25 млн. операций в секунду). Количество транзисторов составило 1,4 млн. (технология 0,8 мкм).
Самая важная техническая характеристика для ноутбука – это энергопотребление, поэтому пусть вас не удивляет, что процессор Intel 486SL не обладал рекордной производительностью. Для снижения потребления тока даже был уменьшен объем адресуемой памяти до величины 64 Мбайт. Зато такой компьютер в дипломате мог долгое время работать от внутренних аккумуляторов, что сделало ноутбуки популярными среди бизнесменов.
Дальнейшее развитие семейства процессоров 486 пошло по пути использования для синхронизации ядра умноженной тактовой частоты системной платы. Первый такой вариант – процессор Intel DX2 – был представлен 3 марта 1992 г. (рис. 2.8). Цифра "2" после символов "DX" означала, что ядро работает на удвоенной частоте. Для первой модели Intel 486 DX50, который работал на тактовой частоте 50 МГц (41 млн. операций в секунду, 29,9 SPECint92, 14,2 SPECfp92), на системной плате нужно было установить специальными перемычками-джамперами частоту 25 МГц, а коэффициент умножения 2. Следующая модель с тактовой частотой 66 МГц появилась в августе 1992 г. (54 млн. операций в секунду, 39,6 SPECint92, 18,8 SPECfp92).
Рис. 2.8. Процессор 486DX2
Как вы понимаете, раз у пользователя есть возможность самому устанавливать для процессора величину тактовой частоты, то появляется искушение «разогнать» процессор, чтобы он работал на более высокой частоте. Заметим, что так большинство компьютерщиков и поступало (до сих пор это любимое занятие не только любителей, но и профессиональных программистов). Правда, не все экземпляры процессоров могли быть разогнаны на существенную величину, но, например, заставить 50-мегагерцовый процессор работать на частоте 66 МГц почти всегда возможно.
Количество транзисторов в процессорах Intel 486DX2 составило 1,2 млн. (технология 0,8 мкм).
Следующий рывок в повышении тактовой частоты ядра был реализован в процессоре Intel 486DX4, который появился в 1994 г., правда, цифра "4" не обозначала учетверение частоты. Коэффициент умножения тактовой частоты оказался равен 3. Выпускались две модели этого процессора: с тактовой частотой 75 МГц (53 млн. операций в секунду, 41,3 SPECint92, 20,1 SPECfp92) и 100 МГц (70,7 млн. операций в секунду, 54,59 SPECint92, 26,91 SPECfp92).
Количество транзисторов составило 1,6 млн. (технология 0,6 мкм).
Производительность компьютеров с процессором Intel 486DX4 оказалась настолько велика, что, если бы не настойчивость корпорации Intel по внедрению процессоров Pentium, он до сих пор мог быть образцом для подражания. Так, Intel 486DX4 позволяет комфортно использовать любые офисные приложения для операционной системы Windows 95/98. Но поскольку ряд фирм стали очень серьезно конкурировать с корпорацией Intel, производство этих процессоров было передано третьим фирмам. Сама корпорация Intel предложила пользователям процессоры нового поколения – Pentium.
Процессоры, совместимые с Intel 486
Хотите верьте, хотите нет, но очень многие пользователи в те времена предпочитали пользоваться не дорогими процессорами Intel 486DX4, а более дешевыми производства фирм AMD и Cyrix. Причем делали такой выбор не только из-за низкой цены – хотя это и немаловажно – а за более высокую их производительность для ряда приложений.
Создав процессор Intel 486, конструкторы корпорации Intel неожиданно для себя открыли поле деятельности для своих конкурентов. Ведь как раньше можно было совершенствовать выпускающийся промышленностью процессор? Приходилось покупать лицензию и дорабатывать второстепенные узлы или разрабатывать свой, новый с другой архитектурой.
Первый путь не дает возможности каких-либо прорывов, т. к. улучшать получалось только какой-нибудь параметр, а второй – нехорош тем, что теряется совместимость, что ведет к необходимости организации производства нового типа компьютеров.
Если вспомнить примеры, то путь совершенствования второстепенных узлов был избран фирмами Юго-Восточной Азии при производстве аналогов процессоров Intel 386. Кстати, многие системные платы комплектовались такими дешевыми процессорами, но у них не было особого технического преимущества перед образцом – процессором, разработанным корпорацией Intel. По этому пути пошли и в СССР, выпустив в свое время аналоги 8086 и 80286.
Второй путь чреват тем, что компьютеры с процессором, который несовместим с семейством х86, будут производиться очень ограниченным кругом фирм. Соответственно, цена на них будет значительно выше, а объем производства ниже. Наглядный пример – компьютеры фирмы Apple, которые превосходят IBM PC совместимые компьютеры в области работы с графикой, но дороже почти в два-три раза. В России из-за этого они – большая редкость, если не считать старых учебных компьютеров "Агат", собранных на 16-разрядном процессоре корпорации Motorola.
Уникальная же архитектура процессора 486 позволяла без потери совместимости создавать совершенно новые процессоры, которые могли обрабатывать данные по другим алгоритмам. Особенно преуспели в этом фирмы AMD и Cyrix. Оригинальные модели процессоров этих фирм выпускались несколько позднее появления следующего варианта Intel 486, но зато обладали какой-либо интересной особенностью.
Конечно, первые процессоры AMD и Cyrix не слишком отличались от аналогов, производимых корпорацией Intel, но старшие модели, появившиеся тогда, когда корпорация Intel уже начала производить процессоры Pentium, имели явно более предпочтительные параметры, правда, конкурировать со следующим поколением процессоров семейства х86 они, тем не менее, не могли.
Процессоры фирм AMD и Cyrix можно было устанавливать почти на все системные платы, предназначенные для Intel 486. Производители системных плат разрабатывали свою продукцию, учитывая возможность установки пользователями процессоров Intel, AMD и Cyrix. Для этого на системной плате устанавливалось множество джамперов, с помощью которых системная плата настраивалась на работу с тем или иным процессором.
Процессоры AMD отличались от Intel 486 пониженным питанием. Величина напряжения указывалась при маркировке. Последние модели имели возможность снижения энергопотребления (такая технология была внедрена корпорацией Intel лишь во втором поколении Pentium).
Максимальная частота, достигнутая в процессоре AMD-K5, составила 133 МГц при коэффициенте умножения, равном 4. Правда, не все системные платы могли поддерживать такие частотные параметры, поэтому приходилось использовать процессор на частоте 100 или 120 МГц.
В последней модели Ат5х86-Р75 использовались решения, которые были реализованы в процессорах Pentium.
Для процессоров Cyrix справедливо все, что было сказано о процессорах AMD. Но при использовании этих процессоров надо учитывать то, что их внутренний математический сопроцессор был более эффективен, чем у процессоров других фирм.
Последняя модель Cyrix 5x86 по архитектуре достаточно близка к процессорам Pentium.
Из остальных фирм, которые производили процессоры семейства 486, можно упомянуть корпорацию IBM и Texas Instruments. Компьютеры с такими процессорами производства этих фирм изредка можно встретить в России. Но, следует заметить, что особых отличий от Intel 486 у них нет, разве что процессоры Texas Instruments ближе к аналогам фирмы AMD.
Процессоры Pentium
Кому-то кажется, что процессоры Pentium появились совсем недавно. Кто-то считает, что до Pentium вообще не было компьютеров, заслуживающих внимания. Иногда при разговоре о процессорах 386 («тройках» в просторечии) собеседник никак не может сообразить, что речь идет не о Pentium III. Если же вспомнить историю, то о первом процессоре Pentium было объявлено в далеком марте 1993 г., т. е. тогда, когда семейство процессоров 486 было в зените славы, a Intel DX4 еще только проектировался.
Первые процессоры Pentium имели тактовые частоты 60 МГц (100 млн. операций в секунду, 70,4 SPECint92, 55,1 SPECfp92) и 66 МГц (112 млн. операций в секунду, 77,9 SPECint92, 63,6 SPECfp92). Умножение частоты для ядра не использовалось. В то время такие частотные характеристики не особо поражали воображение, да и работа программ, которые, в основном, разрабатывались как 16-разрядные приложения, не вызывала особого восторга. К тому же, в первых партиях процессоров Pentium через некоторое время была обнаружена ошибка при делении чисел, которая проявлялась только при определенных соотношениях операндов.
Количество транзисторов на кристалле нового процессора в очередной раз достигло рекордной отметки в 3,1 млн. (технология 0,8 мкм). На рис. 2.9 показан внешний вид процессора Pentium. Число контактов у корпуса процессора со штырьковыми выводами стало равным 273. Возможности работы с памятью были аналогичны предшествующему поколению – адресуемая память равна 4 Гбайт, виртуальная память до 64 Тбайт. Но зато можно было использовать при страничной адресации до 4 Мбайт, вместо 4 Кбайт, как в 486 процессорах.
Рис. 2.9. Процессор Pentium
Чтобы понять, почему еще несколько лет параллельно развивались два поколения процессоров, надо вспомнить, что наиболее популярная операционная система Windows 3.1 была лишь надстройкой – оболочкой над MS-DOS. А эта операционная система, к сожалению, не использовала 32-разрядные возможности процессоров, поэтому программисты разрабатывали почти все программы как 16-разрядные. 32-разрядная операционная система Windows 95, если вспомнить, появилась только через два года.
Но все же реализованные именно в процессорах Pentium принципы обработки информации позволили к настоящему времени превратить обычный персональный компьютер в нечто большее, чем в простую машину для обработки цифр и текстов.
Наиболее интересное новшество, примененное в процессорах, – это использование механизма предсказаний (правда, не так, как это делают гадалки). Как должны выполняться компьютерные программы – шаг за шагом, инструкция за инструкцией. Точно так, как считают в первом классе два плюс два – к результату прибавим еще одно число.
Но ряд команд получают данные от внешней памяти и разнообразных внешних устройств, которые не отличаются быстродействием, а некоторые команды требуют больше циклов для своего выполнения. Процессор Pentium, в тех случаях, когда данные для выполнения текущей операции еще не готовы, продолжает вычисления, обрабатывая дальнейшие инструкции. К тому времени, когда будет выполнена инструкция, данные для которой поступили с опозданием, процессор уже обсчитает множество последующих команд.
Обычно, по результатам выполнения таких "медленных" инструкций в программе делается выбор между несколькими возможностями: как бы решить – идти налево или направо. Вот тут и полезен механизм предсказания. Блок предсказаний предугадывает наиболее вероятное направление дальнейших вычислений. В том случае, если выбор был правильным, все выполненные к этому моменту команды будут считаться "правильными", и процессор продолжит дальнейшие вычисления. Если же предсказание было неверным – а это бывает примерно в 20 % случаев, – то процессору ничего не остается делать, как заново начать обрабатывать инструкции, идущие за такой командой.
В дальнейшем механизм предсказаний был дополнен возможностью выполнения команд не в том порядке, как они следуют в программе.
Такие особенности архитектуры процессоров Pentium (а также самых последних моделей 486) эффективно повышают производительность процессора, не требуя повышения тактовой частоты, т. е. рассматриваемый нами процессор с тактовой частотой 100 МГц будет работать так, как обычный процессор, работающий на частоте 130 или 170 МГц. (Обратите внимание, что механизм предсказаний в каждой последующей модели процессора Pentium совершенствуется, но тонкости технологий интересны, в основном, системным программистам).
Кроме того, для повышения производительности в процессорах Pentium была применена суперскалярная архитектура. Это громкое название говорит о том, что в процессоре имеются два параллельно работающих конвейера.
Начиная с 8086, процессор загружал "за раз" не одну инструкцию для выполнения, а несколько, помещая их в очередь – конвейер. Теперь один конвейер – "основной", или U-конвейер – остался аналогичен такому же, как у 486 процессора, а второй, V-конвейер – работает с сокращенным числом команд. То есть процессор Pentium может выполнять в один и тот же момент сразу две разные инструкции.
Следующая, наиболее отличительная особенность процессоров Pentium состоит в том, что шина данных у них 64-разрядная, хотя работают они с 32-разрядной арифметикой. Часто из-за этого их ошибочно относят к 64-разрядным процессорам, но на самом деле они принадлежат к семейству 32-разрядных процессоров. Только в процессоре Itanium разработчики корпорации Intel действительно полностью реализовали 64-разрядную архитектуру.
Удвоение разрядности шины данных позволяет ускорить работу с внешней оперативной памятью. Используя возможности 64-разрядной шины, можно за один такт считать или записать в память сразу несколько инструкций или 8-байтных данных. Правда, не всегда производительность компьютера возрастает в два раза, т. к. частенько важен лишь один байт данных или одна 16-разрядная инструкция. В этих случаях "лишние" данные отбрасываются.
Кэш
В процессорах семейства Pentium, опять-таки для повышения производительности компьютера, серьезной доработке подвергся механизм кэширования оперативной памяти.
Тактовая частота ядра современных процессоров в настоящее время возросла в 1000 раз и превысила 2000 МГц, а вот частотные характеристики оперативной памяти сильно отстают. Например, модули дешевой динамической памяти работают на частоте всего 133 МГц.
Разрыв обозначился уже при появлении первых 16-разрядных процессоров. Микросхемы памяти, которые могли работать на той же скорости, что и процессор, оказались слишком дорогими для применения в персональных компьютерах. А дешевые микросхемы динамической памяти, которые позволяли хранить много данных, увы, не отличались быстродействием. Поэтому разработчики компьютеров использовали принцип организации памяти, который применяли в больших ЭВМ.
Так как процессор в каждый момент времени работает с ограниченным адресным пространством, то необходимые для текущей работы данные можно хранить в дорогостоящих, но быстрых микросхемах. Основная же память выполняется на медленных, но зато дешевых микросхемах, позволяющих хранить много данных. Поэтому процессор, используя такое разделение памяти, большую часть времени использует быструю память и обращается к основной только при необходимости. Такой вид быстродействующей памяти был назван кэшем (от англ. cache — склад, тайник).
Технология изготовления процессоров совершенствовалась. Возможности кэша, выполненного на отдельных микросхемах и расположенного на системной плате, были быстро исчерпаны. Для дальнейшего повышения производительности компьютера кэш решили разделить на две части – традиционный кэш на системной плате оставили неизменным, а на кристалле процессора организовали еще один кэш, который должен работать на тактовой частоте процессора. Такой принцип организации памяти был реализован в некоторых 386 процессорах, а, начиная с процессоров Intel 486, стал обязателен. Кэш, расположенный на кристалле процессора, получил название – первичный кэш (LI Cache) или внутренний кэш.
В дальнейшем, для эффективного использования 64-разрядной шины в семействе процессоров Pentium добавили еще два уровня – вторичный кэш L2 Cache и L3 Cache.
Кэширование памяти является "прозрачным" для программ и программистов, т. е. процессор и чипсет системной платы в большинстве случаев сами определяют необходимые данные, которые будут храниться в кэше. Кроме того, они следят за тем, чтобы данные в кэше и основной памяти соответствовали друг другу, т. к. к оперативной памяти может обращаться не только процессор, но и внешние устройства.
Механизм кэширования в каждом из последующих типов процессоров Pentium подвергался серьезной доработке. Фактически, в современных процессорах на кристалле вместе с блоками обработки данных расположена внутренняя оперативная память – кэш, которая по своим размерам превосходит объем всей памяти (ОЗУ, винчестер), которой когда-то оперировал компьютер с процессором 386. Следует заметить, что размер первичного кэша чаще всего бывает равен 8, 16 или 32 Кбайт, а вторичного – 256 или 512 Кбайт. Хотя, например, в некоторых процессорах вторичный кэш может достигать и 1 Мбайт или вообще отсутствовать. У новейших процессоров внешний кэш не применяется.
Чтобы понять сложность организации механизма кэширования данных, надо учесть, что каждый уровень кэша работает на своей тактовой частоте. Например, первичный кэш должен действовать на частоте ядра процессора. Вторичный кэш (внутренний) часто синхронизируется на половинной частоте ядра процессора. Внешний кэш, самый медленный, использует частоту системной платы, которая в большинстве случаев не превышает 133 МГц.
Второе поколение процессоров Pentium
О втором поколении процессоров Pentium было объявлено в марте 1994 г. Тактовая частота для них составляла 90 МГц (149,8 млн. операций в секунду, 2,74 SPECint95, 2,39 SPECfp95) и 100 МГц (166,3 млн. операций в секунду, 3,30 SPECint95, 2,59 SPECfp95). Количество транзисторов выросло до 3,2 млн. (технология 0,6 мкм).
Для снижения тепловыделения, которое у первого поколения Pentium достигало 16 Вт, напряжение питания было уменьшено до 3,3 В, что и позволило повысить тактовую частоту. В последующих моделях процессоров Pentium второго поколения дополнительно снизили напряжение питания ядра процессора до величины в 2,9 В.
Вообще, принцип уменьшения напряжения питания оказался очень привлекательным с точки зрения повышения частоты процессора и надежности его работы, например, в Pentium 4 была достигнута величина в 1 В.
Так как удалось успешно избавиться от чрезмерного нагрева кристалла, то появилась возможность наращивать тактовую частоту ядра процессора. Для процессоров Pentium используют четыре коэффициента умножения – 1,5, 2, 2,5 и 3. Комбинируя тактовую частоту системной платы и коэффициент умножения, удалось получить ряд частот для ядра процессора вплоть до 200 МГц. Именно в соответствии с этим рядом выпускались следующие процессоры:
• в октябре 1994 г. было объявлено о выпуске процессор Pentium с тактовой частотой 75 МГц (126,5 млн. операций в секунду, 2,31 SPECint95, 2,02 SPECfp95);
• в марте 1995 г. начато производство процессора Pentium с тактовой частотой 120 МГц (203 млн. операций в секунду, 3,72 SPECint95, 2,81 SPECfp95);
• наконец, в июне 1995 г. появился процессор Pentium с тактовой частотой 133 МГц (218,9 млн. операций в секунду, 4,01 SPECint95, 3,50 SPECfp95), который оказался популярным в России, т. к. позволял эффективно работать с операционной системой Windows 95. При производстве процессора использовалась 0,35 мкм технология, а количество транзисторов на кристалле составило 3,3 млн.;
• совершенствуя процесс изготовления микросхем, корпорация Intel в январе 1996 г. представила процессор Pentium с тактовой частотой 150 и 166 МГц (4,58 SPECint95, 3,92 SPECfp95);
• последний процессор Pentium этого поколения работал с тактовой частотой 200 МГц (5,17 SPECint95, 4,32 SPECfp95). Для этого процессора дополнительно начал указываться новый индекс производительности iCOMP Index 2.0, который оказался равным 142.
Процессоры Pentium второго поколения могут работать с тактовыми частотами ядра 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 180 и 200 МГц. На системной плате предусмотрена возможность задания тактовой частоты 50, 60 и 66,66 МГц. Если проанализировать эти два ряда и учесть коэффициенты умножения, то можно заметить, что одну и ту же частоту можно получить разными способами, например, 150 МГц реализуются комбинациями 50 МГц х 3 и 60 МГц х х 2,5. С точки зрения математики оба варианта дают абсолютно одинаковый результат, но для компьютера в каждом варианте есть свои преимущества и недостатки. Второй вариант, например, за счет более высокой тактовой частоты системной шины позволяет увеличить производительность компьютера, но, в то же время, для ряда системных плат и периферийных устройств возможна неустойчивая работа.
Продолжая оказывать помощь пользователям в модернизации технически устаревших компьютеров, корпорация Intel выпускала ряд процессоров Pentium OverDrive. Например, для замены процессоров Pentium первого поколения предлагались процессоры Pentium OverDrive 120 и 133 МГц, а для модернизации компьютеров с процессорами второго поколения с тактовыми частотами 75, 90 и 100 МГц – Pentium OverDrive 125, 150 и 166 МГц. Конечно, следует заметить, что, как и в случае с Intel OverDrive 486, такие процессоры оказались дорогими и, соответственно, в России не получили популярности, тем более, что всегда выгоднее было купить сразу новые процессор и системную плату.
Процессор Pentium ММХ
Процессоры Pentium ММХ появились несколько позднее, чем следующий тип процессора – Pentium Pro, но для облегчения понимания развития компьютерных технологий следует сначала остановиться на технологии ММХ. Тем более что компьютеры с процессорами Pentium ММХ до сих пор с успехом используются на предприятиях и дома.
Главная изюминка технологии ММХ – это ускорение 2D– и 3 D-граф и к и, т. е. ускорение работы графических приложений – игр и видео – в среде операционной системы Windows 95.
Фактически, появление процессоров Pentium ММХ ознаменовало тот факт, что "железо" и программы должны шагать в ногу. Как до этого обычно разрабатывали и внедряли новые типы процессоров – сначала появлялась новая микросхема с оригинальной архитектурой, а потом для нее создавались программы, в которых учитывались особенности нового процессора. Причем, разработчики "железа" исходили из своих представлений о назначении нового процессора, а программисты самостоятельно пытались использовать новые возможности для совершенствования своих продуктов. А вот процессор Pentium ММХ был разработан под конкретный программный продукт – операционную систему Windows 95.
Если заглянуть в недавнее прошлое, то можно вспомнить, что все игры с отличной графикой работали в DOS, не используя возможности Windows. То есть пользователь, работая в среде Windows, запускал сессию DOS, а уже в ней начинала работать "навороченная" игра. Смысл такого многоступенчатого подхода был в том, что скорость отображения сложной графики в Windows 95 оказалась крайне низка. Максимум графических возможностей для Windows 95 – это весьма популярная игра "пасьянс".
Для ускорения работы с графикой в процессоре Pentium ММХ появились дополнительные регистры и типы данных, а также инструкции (команды) для их использования.
О выпуске процессора Pentium с технологией ММХ с тактовой частотой 166 и 200 МГц (6,44 SPECint95, 4,87 SPECfp95, iCOMP Index 2.0 – 182) было объявлено в январе 1997 г. Количество транзисторов на кристалле процессора достигло 4,5 млн. (технология 0,35 мкм).
О последнем процессоре, предназначенном для настольных персональных компьютеров, с тактовой частотой 233 МГц (7,12 SPECint95, 5,21 SPECfp95, iCOMP Index 2.0 – 203) было объявлено в июне 1997 г.
Для применения в мобильных ПК и ноутбуках выпускались процессоры Pentium ММХ с тактовыми частотами 200 и 233 МГц (сентябрь 1997 г.) и 266 МГц (январь 1998 г.). В этих модификациях процессора использовалась 0,25 мкм технология.
Через год, в январе 1999 г., для использования в ноутбуках корпорацией Intel был предложен еще один вариант процессора Pentium М MX с тактовой частотой 300 МГц.
Несмотря на достоинства технологии ММХ, в ней оказались довольно серьезные недостатки. В первую очередь, это невозможность одновременного использования сопроцессора и инструкций ММХ, т. к. регистры ММХ отображались на регистры сопроцессора. Если не учитывать такую особенность при написании программы, то вместо ускорения работы можно было получить резкое падение производительности компьютера. Кроме технологии ММХ, в процессорах Pentium ММХ применены технологии, которые были разработаны для процессора Pentium Pro, например, более эффективный механизм предсказаний.
Компьютеры с процессором Pentium ММХ до сих пор эффективно используются с операционными системами Windows 95/98, показывая вполне достойную производительность в офисных приложениях.
Процессор Pentium Pro
Шестое поколение процессоров х86 начало свой отсчет от процессора Pentium Pro и нашло свое развитие в Pentium II и III. Процессоры этого поколения до сих пор используются во всех сферах деятельности человека. Их появление, наконец, дало реальный толчок к претворению в жизнь предсказаний фантастов, писавших о далеком будущем. Это видеотелефоны, коллекции фильмов на компакт-дисках, распознавание зрительных образов и человеческой речи. Всего просто не перечислить!
Примечание
Среди компьютерщиков принято подразделять процессоры линейки х86 на поколения, отсчитывая их от процессора 8086. Соответственно, второе поколение – это 286 процессоры, третье – 386, четвертое – 486. Процессор Pentium, относящийся к пятому поколению, имеет цифровое наименование – 586. Конечно, особой надобности в такой классификации нет, к тому же в последнее время достаточно сложно провести границу между различными модификациями процессоров, да и конкуренты Intel создают довольно оригинальные конструкции процессоров. Поэтому в этой книге не акцентируется разделение процессоров х86 на поколения, а лишь используется эта условная градация для логичности изложения материала в необходимых местах. Заметим, что корпорация Intel использует номера поколений только в рекламных целях, а в технической документации используется подход, как показано в табл. 2.2, где приведены основные характеристики выпускавшихся процессоров.
Основные характеристики выпускавшихся процессоров корпорации Intel
* GP – регистры общего назначения, FPU – регистры математического сопроцессора.
Процессор Pentium Pro, родоначальник современных процессоров, появился 1 ноября 1995 г. Любопытной особенностью процессора Pentium Pro является то, что он может использоваться не только для IBM PC совместимых компьютеров, но и для компьютеров фирмы Apple, которые используют процессоры корпорации Motorola.
При разработке процессоров Pentium Pro были использованы совершенно новые подходы к обработке информации. Например, с помощью метода динамического исполнения можно выполнять команды не в том порядке, как они указаны в коде программы. Т. е. команды, независимые от результатов предыдущих операций, будут обработаны в любой момент, в том числе и до начала выполнения команд условных переходов и работы с внешними устройствами.
Существенной особенностью архитектуры процессоров Pentium Pro стало наличие второй шины данных разрядностью в 300 битов, независимой от основной. Такая шина потребовалась, чтобы эффективно работать с внутренним кэшем второго уровня, который мог быть от 256 Кбайт до 1 Мбайт.
Первые процессоры Pentium Pro работали на тактовой частоте 150, 166, 180 и 200 МГц (8,20 SPECint95, 6,21 SPECfp95). Объем адресуемой памяти был равен 64 Гбайт, а виртуальной памяти – 64 Тбайт.
Последний вариант процессора с тактовой частотой 200 МГц (8,66 SPECint95, 6,80 SPECfp95) и одним мегабайтом встроенной кэш-памяти второго уровня был выпущен в августе 1997 г.
Несмотря на великолепные технические характеристики, Pentium Pro не использовался для производства массовых IBM PC совместимых персональных компьютеров.
Процессор Pentium II
Процессор Pentium II имеет архитектуру процессора Pentium Pro, которая сопряжена с технологией ММХ. Основное назначение процессора Pentium II – это использование в дешевых персональных компьютерах. Для того чтобы понизить стоимость производства микропроцессора, инженеры корпорации Intel предложили использовать гибридную технологию – разнести логические блоки процессора и кэш второго уровня на разные кристаллы, смонтировав их вместе на одной керамической пластине. Соответственно, такое решение потребовало изменения корпуса процессора. Для процессора Pentium II был разработан специальный картридж с печатным краевым разъемом, который устанавливался на системную плату таким же образом, как и модули памяти.
Впервые о начале выпуска процессора Pentium II было объявлено в мае 1997 г.
Первые процессоры работали на тактовой частоте 233, 266,300 МГц (11,7 SPECint95, 8,15 SPECfp95). При этом внешняя тактовая частота, поступающая с системной платы, должна быть равна 66,66 МГц. В процессоре использовалось 7,5 млн. транзисторов (технология 0,35 мкм). В кэше второго уровня находилось 512 Кбайт памяти. На рис. 2.10 показан внешний вид картриджа процессора.
Рис. 2.10. Процессор Pentium II
В январе 1998 г. был выпущен процессор Pentium II с тактовой частотой 333 МГц (12,8 SPECint95, 9,14 SPECfp95).
О процессорах Pentium II с тактовой частотой 350 и 400 МГц было объявлено в апреле 1998 г. Наибольший интерес этот процессор вызвал не тем, что работал на более высокой частоте, а тем, что частота внешней шины могла быть равной 100 МГц. Повышение частоты шины системной платы резко увеличивало производительность компьютера.
Последний процессор Pentium II, предназначенный для массовых персональных компьютеров, был выпущен в августе 1998 г. Его тактовая частота достигла 450 МГц.
Для мобильных ПК и ноутбуков в апреле 1998 г. был выпущен процессор Pentium II с тактовыми частотами 233 и 266 МГц. Для питания ядра процессора требовалось всего 1,7 В. Потребляемая процессором (в том числе и кэшем) мощность была равна 7,5 Вт для 233 МГц и 8,6 Вт для 266 МГц.
В сентябре 1998 г. появился процессор Pentium II для мобильных ПК с тактовой частотой 300 МГц. Напряжение ядра у этого процессора составило 1,6 В, а потребляемая мощность 9,0 Вт.
Для снижения энергопотребления весьма соблазнительным оказался вариант, когда кэш второго уровня уменьшается в два раза до величины в 256 Кбайт. О серии таких процессоров Pentium II было объявлено в январе 1999 г. Процессор производился с тактовыми частотами 266, 300, 333 и 366 МГц. Напряжение питания ядра 1,6 В. Потребляемая мощность: 266 МГц – 7,0 Вт, 300 МГц – 7,7 Вт, 333 МГц – 8,6 Вт, 366 МГц – 9,5 Вт.
О последнем процессоре Pentium II для мобильных ПК было объявлено в июне 1999 г. Процессор имел тактовую частоту 400 МГц. Напряжение питания ядра составляло всего 1,5 В, а потребляемая мощность 7,5 Вт.
Процессор Xeon
Гибкость архитектуры процессоров шестого поколения позволила для одного и того же типа процессора использовать различные виды ядра. Такой подход позволял без кардинальной доработки компьютера оптимизировать его работу для различных применений.
Чтобы не запутаться, для подтипов одного и того же процессора стали применять условные названия. Сначала их использовали только внутри корпорации Intel, но потом такими названиями стали маркировать и серийные процессоры. Хотя это и породило некоторую путаницу, т. к. для одного и того же процессора могло быть несколько названий.
Первым получил личное имя – кодовое название Klamath, которое стало широко использоваться, – процессор Pentium II. В дальнейшем красивые имена, которые оказались полезными для рекламных целей, стали получать все процессоры.
В июне 1998 г. корпорация Intel объявила о выпуске процессора Pentium II Xeon с тактовой частотой 400 МГц, предназначенного для серверных приложений и рабочих станций. Процессор выпускался с кэшем второго уровня 512 Кбайт и 1 Мбайт и частотой внешней шины 100 МГц.
В этом же году, в октябре 1998 г., появился процессор Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц и кэшем 256 Кбайт.
Так как наибольший эффект в повышении производительности достигался за счет увеличения кэша, то в январе 1999 г. было объявлено о выпуске процессоров Pentium II Xeon с размером кэша 512 Кбайт, 1 и 2 Мбайт.
Продолжая линию Xeon, в марте 1999 г. был выпущен процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 500 и 550 МГц. Число транзисторов на кристалле 9,5 млн. (технология 0,25 мкм). Кэш второго уровня размеров 512 Кбайт, 1 и 2 Мбайт.
В октябре 1999 г. появился процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 733 МГц, произведенный по 0,18 мкм технологии. Самое же замечательное в нем было то, что частота системной шины возросла до 133 МГц.
Уже в январе 2000 г. для процессора Pentium III Xeon удалось добиться повышения тактовой частоты до 800 МГц, а в апреле – до 866 МГц.
Процессор Pentium III Xeon с тактовой частой 933 МГц выпущен в мае 2000 г. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 133 МГц.
Только через год, в марте 2001 г., появился новый процессор Pentium III Xeon с тактовой частотой 900 МГц. Кэш второго уровня – 2 Мбайт. Частота системной шины – 100 МГц.
Архитектура процессоров Xeon оказалась настолько удачной, что в мае 2001 г. появился процессор Intel Xeon, без приставки "III" или "4". Первые такие процессоры работали на тактовой частоте 1,4, 1,5 и 1,7 ГГц, а сентябре 2001 г. была взята частота в 2 ГГц. Наиболее впечатляющей оказалась частота системной шины, которая поднялась до 400 МГц. Но, следует заметить, что реально шина продолжала работать на частоте 100 МГц, а вот за один такт стало возможным прочитать 4 слова данных.
Конечно, совершенствование линейки процессоров Xeon шло не только за счет наращивания тактовой частоты и размеров кэша, как может показаться из прочитанного выше текста. Тем более что производительность компьютера не прямо пропорциональна увеличению тактовой частоты, а размер кэша часто вынужденно увеличивают для обеспечения полноценной работы новых функциональных блоков в процессоре. Например, после успешного запуска в производство Pentium 4, в процессоре Xeon в 2001 г., также стала использоваться микроархитектура Intel NetBurst.
Кроме того, процессоры Xeon предназначены для работы во многопроцессорных системах (обычно устанавливается 2 или 4 процессора на системную плату), т. е. они ориентированы на серверные приложения, где основная задача – это обеспечение многопользовательского режима работы. Учитывая такую особенность, разработчики совершенствовали архитектуру этих процессоров в той части, которая обеспечивала эффективность многопроцессорной работы. Венцом усилий инженеров корпорации Intel стала технология Hyper-Threading, реализованная в процессорах Intel Xeon с ядром Prestonia и в Intel Xeon MP, он же – Foster MP. Основная идея, заключенная в технологии Hyper-Threading, – когда в одном реальном процессоре формируются два логических процессора (Logical Processor, LP). Это несколько похоже на то, как в расширенном разделе винчестера можно создать несколько логических дисков. И точно так же операционная система видит вместо одного процессора два.
Заметим, что технология Hyper-Threading эксплуатирует с успехом тот факт, что при выполнении реальных задач процессор никогда не использует все свои ресурсы. А раз так, то можно без проблем передать простаивающие без работы блоки другой задаче (в какой-то степени это применяется и в обычных процессорах). И даже можно пойти дальше – имитировать наличие двух процессоров.
Правда, два логических процессора – это не два настоящих процессора. Поэтому не стоит задумываться о покупке процессора с технологией Hyper-Threading для домашнего компьютера и простой рабочей станции. Для подавляющего большинства программ, с которыми работают пользователи, выигрыш составляет единицы процентов, а иногда общая производительность компьютера может даже упасть чуть ли не в два раза.
Процессор Pentium III
Картриджи для процессоров Pentium II, несмотря на ряд преимуществ (если подумать, то это другое направление развития персональных компьютеров), были мало подходящими для персональных компьютеров. А поскольку совершенствование технологии изготовления интегральных микросхем продолжалось, то вскоре удалось размещать кэш второго уровня на кристалле так же, как и в Pentium Pro. Новый процессор, который появился в результате совершенствования технологии, получил название Pentium III (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Процессор Pentium III
О первых процессорах Pentium III с тактовыми частотами 450 и 500 МГц было объявлено в феврале 1999 г., в мае пришло сообщение о начале производства процессора с тактовой частотой 500 МГц, а в августе – с тактовой частотой 600 МГц.
В новом процессоре удалось на одном кристалле разместить 9,5 млн. транзисторов (технология 0,25 мкм).
Кэш второго уровня сделали объемом 256 Кбайт. Частота системной шины 100 МГц.
Как раз в это время обострилась конкурентная борьба между корпорациями Intel и AMD, и если сложить вместе их пресс-релизы, получится захватывающий авантюрный роман. Каждая корпорация пыталась раньше конкурента объявить о взятии нового рубежа и внедрении новых технологий. Ниже приводится сжатое резюме этой продолжающейся до сих пор схватки с точки зрения корпорации Intel.
В октябре 1999 г. было объявлено о процессорах Pentium III с тактовыми частотами 400, 450 и 500 МГц, изготовляемых по технологии 0,18 мкм. Напряжение ядра у этих процессоров оказалось равным 1,6 В для 450 и 500 МГц и 1,35 В для 400 МГц.
Так как требовались все более и более высокочастотные процессоры, то в октябре 1999 г. были анонсированы процессоры Pentium III с тактовыми частотами 500, 533, 550, 600, 650, 667, 700 и 733 МГц, для производства которых применялась технология 0,18 мкм. Кроме повышения частоты ядра, новые процессоры позволяли использовать для системной шины не только частоту в 100 МГц, но и 133 МГц.
Март 2000 г. оказался продуктивным для процессоров Pentium III. В конце месяца появились процессоры с тактовыми частотами 850 и 866 МГц, а вот в начале – было объявлено о взятии тактовой частоты в 1000 МГц (1 ГГц).
В мае 2000 г. появился Pentium III хотя и с тактовой частотой 700 МГц, но зато с кэшем второго уровня 1 и 2 Мбайт. Заметим, что частота системной шины всего 100 МГц.
Также в мае начат выпуск процессоров Pentium III с тактовой частотой 933 МГц и кэшем второго уровня 256 Кбайт. Частота системной шины – 133 МГц.
Для ноутбуков корпорация Intel в июне 2000 г. начала выпуск Pentium III с тактовой частотой 750 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра могло меняться в зависимости от режима работы от 1,35 В до 2 В.
И 2001 г. порадовал владельцев ноутбуков. Вышла целая серия процессоров Intel Pentium III, в середине года преодолевших рубеж 1 ГГц. В июле 2001 г. появились процессоры 866 и 933 МГц, а также гигагерцовые – 1,13, 1,06 и 1 ГГц. Продолжение последовало в октябре 2001 г., когда была взята частота в 1,2 ГГц. Все процессоры работали с частотой внешней шины 133 МГц и имели кэш второго уровня 512 Кбайт.
Еще один процессор Pentium III с технологией сверхнизкого энергопотребления и тактовой частотой 700 МГц появился в ноябре 2001 г. Частота системной шины – 100 МГц. Кэш второго уровня – 512 Кбайт.
Продолжая внедрять новые технологии, корпорация Intel в январе 2000 г. выпустила процессор Pentium III с технологией Intel SpeedStep, которая позволяла в зависимости от загрузки и внешних условий менять тактовую частоту ядра процессора. Первые такие процессоры появились с тактовыми частотами 600 и 650 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт, частота системной шины – 100 МГц, напряжение ядра – 1,6 В. В апреле была достигнута тактовая частота 700 МГц.
Продолжая выпуск процессоров Pentium III с использованием технологии Intel SpeedStep для ноутбуков, в июне 2000 г. начали выпуск моделей с тактовой частотой 600 МГц, у которых напряжение ядра менялось от 1,1 В до 1 В.
Процессор Pentium III с технологией Intel SpeedStep с тактовой частотой 700 МГц, но уменьшенным до 128 Кбайт кэшем был выпущен в сентябре 2000 г. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра – 1,6 В.
В сентябре 2000 г. начат выпуск Pentium III с технологией Intel SpeedStep с тактовыми частотами 800 и 850 МГц. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Напряжение ядра – 1,35 В.
Совершенствуя процессоры для ноутбуков, в январе 2001 г. выпустили процессор Pentium III по технологии Intel SpeedStep с тактовой частотой 500 МГц (далее 600 и 700 МГц) и режимом оптимальной производительности, когда тактовая частота понижалась до 300 МГц. В процессор был интегрирован кэш второго уровня объемом в 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение питания ядра менее 0,5 В при частоте 300 МГц.
Для процессоров Pentium III с технологией Intel SpeedStep тактовая частота в 1 ГГц (900 МГц) покорилась в марте 2001 г. Кэш второго уровня – 256 Кбайт. Частота системной шины – 100 МГц. Напряжение ядра в оптимальном режиме 1,35 В.
В продолжение развития линии Pentium III с технологией Intel SpeedStep, в начале 2001 г. были выпущены процессоры для мобильных компьютеров с тактовыми частотами 500 и 600 МГц и кэшем второго уровня объемом в 256 Кбайт и 750 МГц с кэшем, равным 512 Кбайт.
Процессор Pentium 4
В 2000 г. корпорация Intel анонсировала следующее поколение 32-разрядных процессоров, которое получило название Pentium 4. На рис. 2.12, a показан внешний вид процессора в корпусе под Socket 423, а на рис. 2.12, б модернизированный корпус под Socket 478.
Рис. 2.12. Процессор Pentium 4: а – в корпусе под Socket 423; б – в корпусе под Socket 478
Основной изюминкой этих процессоров стала микроархитектура NetBurst, в которой используется ряд новых технологий. Наиболее существенная новинка, позволившая увеличить скорость обмена данными между процессором и внешним миром, это способность считывать данные 4 раза за один такт, т. е. стало возможным использовать частоту системной шины в 400 МГц, а в дальнейшем и 533 МГц. Кроме того, использована гиперконвейерная обработка команд, применена кэш-память с отслеживанием выполнения команд и добавлен блок быстрого исполнения команд, который работает на удвоенной частоте ядра (например, при тактовой частоте ядра 2,53 ГГц блок быстрого исполнения команд работает на частоте 5,1 ГГц, а это, в основном, арифметические и логические команды). Также были улучшены характеристики уже традиционных блоков и технологий, например, динамического исполнения команд, вычислений с плавающей запятой, обработки команд, используемых в мультимедийных приложениях, потоковых SIMD-расширений SSE2, а кэш-память 2 уровня получила более совершенную систему передачи данных. Сама же кэш-память использует отдельную шину (архитектура с двумя независимыми шинами – D.I.B.), независимую от системной, что позволило увеличить пропускную способность каналов передачи данных.
Так как корпорация Intel любит делать сюрпризы пользователям, то в 2000 г. был выпущен процессор Pentium 4 с ядром Northwood и тактовой частотой 2 ГГц, для которого применили технологию 0,13 мкм с использованием медных соединений. Размер кэша второго уровня – 512 Кбайт.
На момент написания этих строк выпущены процессоры Pentium 4 с тактовыми частотами ядра 1,30, 1,40, 1,50, 1,60, 1,70, 1,80, 1,90, 2,20, 2,40, 2,50, 2,53, 2,60, 2,66, 2,80 ГГц, а также появились сообщения о скором взятии частоты в 3 ГГц. В процессорах использована кэш-память 1 уровня с технологией отслеживания исполнения команд (Execution Trace Cache) объемом 32 Кбайт, кэш-память 2 уровня – 256 Кбайт (для процессоров 2 ГГц и ниже) или 512 Кбайт (с архитектурой Advance Transfer Cache при техпроцессе 0,13 мкм).
Несмотря на такой спектр новинок, использованных в процессорах Pentium 4, его применение в персональных компьютерах вызывает ряд споров, которые, в основном, вызваны тем, что при сравнении Pentium III и Pentium 4 не наблюдается явного повышения производительности. Тут можно сказать следующее – новая архитектура требует нового подхода к разработке программ и операционных систем. Соответственно, если на новом типе процессора пытаются запустить программное обеспечение, разработанное для предыдущего поколения процессоров, то особого выигрыша чаще всего не получить, можно наблюдать иногда даже и падение производительности. А вот программы, оптимизированные для работы на процессоре Pentium 4, показывают неплохую "шустрость". Так что стоит подождать, когда появится рабочий комплект программ для использования с новым процессором, а не жаловаться, что, мол, мой Pentium 4 с тактовой частотой 1,7 ГГц работает так же, как Celeron 330 МГц.
Примечание
Производительность во многом зависит от системной платы. Например, некоторые первые системные платы для процессора Pentium 4 оказались просто неудачными. На них не то что рекордных показателей не получить, но даже не понять, а зачем было покупать новый процессор.
Для процессоров Pentium 4 был разработан сокет с 423 контактами (Socket 423). Правда, очень скоро кристаллы процессоров Pentium 4 стали устанавливать в новый малогабаритный корпус, для которого был разработан Socket 478 уменьшенных габаритов.
Процессор Celeron
Процессор Celeron не является новым типом процессора, а представляет собой упрощенную версию какого-либо из процессоров Pentium II, III или 4. В основном, снижение технических характеристик (или перевод уже устаревшего процессора в более дешевую категорию) происходит за счет уменьшения объема кэша второго уровня в два раза.
Первые процессоры Celeron – это Pentium II. Вся разница между ними – это отсутствие дорогих микросхем кэша второго уровня в картридже. В итоге, на таком процессоре можно собирать дешевые компьютеры, от которых не требуется рекордов производительности. Заметим, что многим программам вполне хватает объема кэша первого уровня, а замедление работы компьютера во время чтения новой порции данных из основной оперативной памяти происходит не слишком часто. В дальнейшем процессоры Celeron, начиная с Celeron 300А, имеют кэш 128 Кбайт (это половинка кэша Pentium III).
Из конструктивных особенностей процессоров Celeron можно отметить уменьшенную разрядность шин, отсутствие ряда расширенных функций, нужных для создания высоконадежных компьютерных систем. Также не выводятся на контакты стандартного корпуса процессора сигналы, например, нужные для построения многопроцессорных систем, и пр.
Фактически, появление процессора Celeron, как и процессора Pentium II, обусловлено несовершенством технологического процесса при изготовлении кремниевых кристаллов. Например, любая пылинка, попавшая на кристалл, представляет собой большую гору по сравнению с транзисторами, из которых собран процессор. Да и пластины кремния не являются идеальными, хотя больше всего сил и денег у производителей уходит на очистку кремния от посторонних примесей и создание идеальной кристаллической структуры. Наиболее сильно подвержены повреждению области кэша второго уровня, т. к. занимают большую площадь на кристалле и создаются из наиболее мелких транзисторов. Заметим, что именно из-за проблем с кэшем в качестве временного решения проблемы кэш второго уровня процессора Pentium II выполнялся на отдельных микросхемах.
Идея выпуска упрощенных моделей процессоров так понравилась потребителям, что корпорация Intel продолжила выпуск процессоров Celeron и после появления Pentium III и 4. То есть процессоры Celeron являются упрощенными вариантами выпускающихся в данный момент процессоров. Поэтому потребителю надо не забывать, что под одной торговой маркой скрываются значительно отличающиеся друг от друга процессоры, а это может вызвать проблемы при апгрейде компьютера.
Уделим еще немного внимания причине существенной дешевизны процессоров Celeron. Если нарушена структура микросхемы в области логических блоков, то такой кристалл идет в брак. А коэффициент выхода готовых процессоров не так уж велик[3], и именно из-за этого стоимость процессоров значительно выше, скажем, стоимости обычных транзисторов и микросхем. Чтобы поднять выход годных процессоров, используют возможность отключения части блоков кэш-памяти с помощью пережигания специальных перемычек на кристалле, а для сокращения разнообразия выпускаемых процессоров кэш второго уровня уменьшают до величины 128 Кбайт (для процессоров, приведенных в табл. 2.1).
Пользователям, которые самостоятельно модернизируют свой персональный компьютер, следует помнить, что в процессорах, выпускаемых не в картриджах, надо обращать внимание на тип используемого в процессоре ядра, т. к. не все системные платы поддерживают многообразие существующих технологий. Возможно даже повреждение процессора Celeron Coppermine, если системная плата не вырабатывает пониженного напряжения питания, нужного для такого процессора. Кроме того, процессоры Celeron, начиная с тактовой частоты 1,2 ГГц, являются "аналогами" Pentium 4, в которых использовано ядро Tualatin. Процессор имеет кэш второго уровня в 256 Кбайт, как Pentium III. Системная шина работает на частоте 100 МГц. Заметим, что для новых версий процессоров Celeron в очередной раз было снижено напряжение питания, поэтому опять возникают проблемы с подбором пары процессор —системная плата. Кстати, летом 2002 г. появилось сообщение, что были выпущены процессоры Celeron 900А, которые представляют собой "урезанный" Pentium 4 1,7 ГГц, поэтому вполне возможно, что у вас в руках может оказаться нестандартный вариант процессора, которого нет ни в одном справочнике.
Примечание
На данный момент, как сообщается на сервере корпорации Intel, были выпущены процессоры Celeron с тактовыми частотами 1,80, 1,70, 1,40, 1,30, 1,20, 1,10, 1 ГГц и 950, 900, 850, 800, 766, 733, 700,667, 633, 600, 566, 533, 533А, 500 МГц и ниже. Частота системной шины 66 МГц, 100 МГц или 400 МГц. Для этих процессоров использовались корпуса S.E.C.C.2 (Single Edge Contact Cartridge 2), FC-PGA (Flip-Chip Pin Grid Array) и FC-PGA2 (Flip-Chip Pin Grid Array 2).
Из всего этого многообразия, которое перечислено выше, на сентябрь 2002 г. реально выпускаются процессоры Celeron с тактовыми частотами от 850 МГц до 1,80 ГГц.
Процессор Itanium
Информация о том, что корпорация Intel разрабатывает полноценный 64-разрядный процессор, стала достоянием общественности в середине 90-х годов прошлого века. Этой разработке дали красивое название Merced (недалеко от Сан-Хосе в США есть город Merced).
Довольно долгое время компьютерный мир питался слухами и обрывками информации о новой разработке, пока 20 ноября 2000 г. не состоялось торжественное "рождение" нового процессора, который получил торговую марку Itanium. Внешний вид процессора показан на рис. 2.13.
Рис. 2.13. Процессор Itanium
Пусть вас не удивляет, что реальный процессор Itanium появился лишь совсем недавно. Эту простую микросхему можно разработать и запустить в производство в считанные дни, а вот когда приходится иметь дело с новым типом процессора, микросхема которого должна содержать многие миллионы транзисторов, работы могут растянуться на долгие годы.
Первый процессор Itanium был изготовлен по технологии 0,18 мкм и мог работать на тактовых частотах 1,4 и 1,5 ГГц. Объем кэша второго уровня у него оказался достаточно скромным – 256 Кбайт, но зато системная шина работала на частоте 400 МГц (точнее, за один такт читалось 4 слова). А в 2001 г. появились процессоры с тактовыми частотами 1,7, 1,9 и 2 ГГц.
Процессоры Itanium входят в семейство процессоров IA-64 (64-разрядная архитектура Intel), для которых был предложен новый набор команд EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing, вычисления с явным параллелизмом команд), а сама концепция разработана совместно корпорациями Intel и Hewlett-Packard. Причем корпорация Intel сразу стала работать над двумя моделями процессора – Merced и McKinley – для массового (общего) применения и для высокопроизводительных серверов.
В момент написания этих строк пришло сообщение, что второе поколение процессоров Itanium получило официальную торговую марку – Itanium 2. Под этим именем будет раскручиваться рекламная кампания для продвижения на рынок рабочих станций и серверов высшего уровня (можно встретить термин "high-end") процессора, который был известен ранее широкой публике под рабочим названием McKinley.
Производительность второго поколения процессоров Itanium, по предварительным оценкам, будет в 1,5–2 раза выше.
Конечно, в домашних персональных компьютерах Intel Itanium 2 вряд ли появится в обозримом будущем и не сколько из-за своей цены, сколько из-за отсутствия программного обеспечения, которое сможет эффективнее решать те задачи, которые сегодня с успехом выполняют более простые и дешевые процессоры.
Области применения процессоров
Такое многообразие процессоров, какое предлагается корпорациями Intel, AMD и многими другими, определяется не только их рекламными амбициями и конкурентной борьбой, как может показаться неискушенному пользователю. Тут, если заглянуть в суть вопроса, дело заключается в том, что современная цивилизация не может отказаться от применения компьютерных технологий, а т. к. невозможно подровнять всех под одну гребенку – делать один универсальный процессор для всех, то потребителям предлагается выбор из нескольких вариантов процессоров в зависимости от сферы применения. И это, заметим, правильно, т. к. нельзя заставлять химика или журналиста, прежде чем он купит компьютер, изучать очень специфичную техдокументацию на процессоры и пр.
В мировой практике принято подразделять процессоры на группы, предназначенные для того или иного применения. Опять-таки обратимся к тому, как позиционирует свои процессоры корпорация Intel. Правда, мы рассмотрим не текущие конфигурации, а предложения корпорации Intel для будущего применения, т. е. то, что станет обыденным через пару лет (хотя все может и измениться). Кроме того, обратите внимание, что производительность определяется не только гигагерцами, о которых так много говорят. Можно даже сказать – если нужна надежная работа, то надо выбирать не самый супергигагерцовый процессор новейшего поколения, а скромную и всесторонне опробованную модель.
• Массовые производительные настольные ПК. Для них главный фактор – цена. В этих конфигурациях рекомендуется использовать процессор Pentium 4 с тактовой частотой от 2 ГГц. Системная шина (линия обмена данными с внешней памятью) должна использовать частоту 400 МГц. Для системных плат предлагаются наборы микросхем (чипсет, см. гл. 4) Intel 845 и 850. Как видите, проблемы кэша и другие специфичные параметры, влияющие на производительность, не оговариваются, как для прочих групп.
• Рабочие станции начального уровня – это рабочие лошадки небольших предприятий, где каждый рубль на счету, и требуется надежная и безупречная работа. Для них также предлагается процессор Pentium 4 с тактовой частотой 2–2,2 ГГц. Но вот уже оговаривается применение кэша 2-го уровня объемом не ниже 256 Кбайт. Для таких конфигураций вполне подойдет набор микросхем Intel 850.
• Рабочие станции среднего уровня – компьютеры, на которых приходится запускать не только стандартные офисные пакеты, а раз так, то уже предлагается процессор Itanium 800 МГц с кэшем объемом 2 Мбайт или процессор Intel Xeon 2–2,2 ГГц. Набор микросхем, соответственно, уже другой – Intel 460 или 860.
• Рабочие станции высшего уровня – компьютеры, на которых, например, нужно работать с профессиональной графикой, обрабатывать большие объемы мультимедийных файлов и пр., что требует значительных ресурсов компьютера. В этом случае рекомендуется процессор Itanium 800 МГц или 1 ГГц, оговаривается кэш 3-го уровня с объемом 3–4 Мбайт, также хорошо подойдет процессор Intel Xeon 2 ГГц. Набор микросхем Intel 860 или другой с расширенными функциями.
• Серверы начального уровня – это компьютеры, которые обычно не стоят на рабочих столах пользователей, т. к. они предназначены для удаленного многопользовательского применения. От таких компьютеров требуется надежная работа в любое время суток, т. е. для них выключение питания или перезагрузка операционной системы – чрезвычайное событие, можно сказать – авария. Хотя, опять-таки, предлагается использовать процессор Intel Xeon с тактовой частотой 2–2,2 ГГц, но вот набор микросхем для них желателен Intel Е7500. Также рекомендовано использование процессора Pentium III с тактовой частотой 1,26 ГГц.
• Серверы среднего уровня – фактически, это предыдущий вариант, но для предприятий с несколькими территориально разнесенными подразделениями. Для них предлагается процессор Intel Xeon с тактовой частотой 1,4 ГГц или выше с кэшем 3-го уровня объемом 512 Кбайт. В качестве другого варианта – процессор Itanium 800 МГц или 1 ГГц с кэшем 2–3 Мбайт, для которого можно использовать набор микросхем Intel 460.
• Серверы высшего уровня – это компьютеры для массового обслуживания большого числа пользователей. Для них предлагается использовать процессор Itanium с тактовой частотой 800 МГц или 1 ГГц с кэшем 3-го уровня объемом 3–4 Мбайт и набор микросхем Intel 460 либо процессор Intel Xeon MP с тактовой частотой 1,4–1,6 ГГц и кэшем 3-го уровня объемом 1 Мбайт.
• Производительные мобильные ПК – это ноутбуки для профессионального использования в бизнесе и науке. Для таких применений требуются процессоры для мобильных систем – Intel Pentium 4-М с тактовой частотой 1,2–1,7 ГГц или Pentium III-M с тактовой частотой 1,2 ГГц. Наборы микросхем должны поддерживать функции энергосбережения, а это Intel 830М/МР и Intel 845MP/MZ.
Конечно, все сказанное выше – это планы корпорации Intel на ближайшее будущее. Но технический прогресс, особенно в области компьютерных технологий, идет так стремительно, что уже через полгода или год все может измениться. Могут появиться новые технологии или какая-то корпорация для победы в конкурентной борьбе обнародует раннее скрытую техническую новинку.
Цены на процессоры Intel
Вероятнее всего, узнав о таком многообразии выпускаемых процессоров, у вас возник вопрос – зачем их так много выпускается. Чтобы понять ситуацию с процессорами корпорации Intel, следует помнить, что Intel регулярно, два раза в год, снижает цены на все типы процессоров. Кроме того, имеется колоссальная разница в цене между дешевыми процессорами, предназначенными для массовых персональных компьютеров, и процессорами для промышленного применения.
В журнале "The Register" (http://www.theregister.co.uk/) в конце 2001 г. были опубликованы цены на процессоры Intel. Ниже приведена эта таблица (табл. 2.3), но отсортированная в другом, более удобном для этой книги порядке. Сравните цены на различные процессоры, и вам будет более понятно, почему сегодня выпускается такое разнообразие их типов.
Цены на процессоры Intel (декабрь 2001 г.)
Возможно, после изучения табл. 2.3 у вас возникнет масса любопытных вопросов. В этом случае надо обратиться к технической документации, доступной на сервере корпорации Intel (http://www.intel.com).
Процессоры корпорации AMD
Говоря образно, корпорация AMD – «злейший» конкурент корпорации Intel. Фактически, на линии фронта сражения между AMD и Intel сегодня и происходят наиболее важные в компьютерном мире события. Нам же, пользователям, от этого достается снижение цен на морально устаревшие изделия, а также внедрение в жизнь фантастических технологий. Поэтому в данном разделе будут освещены отличия процессоров AMD от аналогов, производимых корпорацией Intel.
Сразу надо сказать, при появлении первых моделей процессоров 486, Pentium, Pentium II и III корпорация AMD всегда несколько отставала от Intel, правда, потом довольно быстро находила свою "игру", вводя в процессоры новые команды и интересные особенности архитектуры. Догоняла и перегоняла главного конкурента, но вот только опаздывая на месяц —полгода —год.
Только не следует думать, что корпорация AMD – вечный аутсайдер, многие находки ее инженеров более удачны, чем у конкурентов. Единственное, что "мешало" – это скорость появления новых, еще более производительных процессоров Intel. Да и не надо забывать, что все старые процессоры AMD были рассчитаны на установку на системные платы, которые были разработаны с учетом использования процессоров Intel. Точно так же поступали и другие фирмы, но только корпорация AMD поспевала за стремительным развитием компьютерных технологий, где тон задавала корпорация Intel.
В последнее время, и это очень приятно, наметилась тенденция, что процессоры AMD становятся отдельной линией в семействе х86, или, точнее, линией процессоров, поддерживающих систему команд x86 (не забывайте, что даже процессоры Intel последних поколений лишь умеют быстро работать с командами х86). Так, теперь для новых процессоров AMD нужна своя системная плата, не та, что для процессоров Intel. То есть установить на одну и ту же системную плату "похожие" процессоры, как это было во времена 486 и "первых" Pentium, сейчас уже не удастся.
Прелести и некоторой неопределенности к борьбе компьютерных титанов добавляет проблема – чей процессор лучше. Кстати, задача весьма нетривиальная, т. к. корпорация AMD традиционно использует несколько иную архитектуру процессоров, особенно блоков математического сопроцессора, и в компьютерном мире регулярно возникают споры – как сравнивать производительность процессоров Intel и AMD. Использование в качестве параметра для сравнения тактовой частоты дает слишком большую ошибку, да и для современных процессоров, которые за один такт могут сделать очень много различных операций, не дает верной картины. Кстати, именно этот факт эксплуатирует корпорация AMD, когда применяет для маркировки своих процессоров условную, рассчитанную по "хитрым" правилам, величину PR (Pentium Rating), а не реальную частоту. С одной стороны, это как-то отражает реальную ситуацию, но с другой, вызывает ошибки со стороны неискушенных пользователей, которые покупают "мегагерцы и гигагерцы". Правда, не надо думать, что только процессоры AMD используют в маркировке не реальную частоту, а рассчитанный рейтинг – такой способ применяют и другие фирмы, в том числе и Cyrix.
Процессоры AMD К5
Серьезно отставая от лидера, корпорация AMD выпустила в 1996 г. сначала процессоры AMD K5-PR75 и AMD K5-PR90, а чуть позднее AMD K5-PR100 и AMD K5-PR133. Как видно, в маркировке процессоров указывалась не реальная частота, на которой работали процессоры.
Буква "К" в названии процессоров AMD – это сокращение от слова "Krypton" (вспомните древнегреческую мифологию), как бы намек на то, что принципы, заложенные в архитектуру этих процессоров, сокрушат монополию Intel.
По техническим характеристикам процессоры были примерно аналогичны первому поколению Pentium. Правда, следует учесть, что хотя архитектура процессоров AMD К5 оказалась более эффективной за счет лучшей работы кэша и использования технических решений, присущих процессорам шестого поколения, но производительность математического сопроцессора оставляла желать лучшего.
Фактически, для пользователей наиболее существенным плюсом в пользу AMD К5 оказалась более низкая цена по сравнению с аналогичными процессорами Intel. Но не все системные платы поддерживали установку этого процессора.
Примечание
Кроме процессоров AMD, вы можете встретить процессоры других фирм. А поскольку многие системные платы не имеют такого многообразия джамперов для настройки, как это было для 486 процессоров, то вполне вероятно, что вам не удастся, например, задействовать умножение тактовой частоты. То есть процессор, несмотря на большие цифры в маркировке, будет работать исключительно на частоте системной шины.
Процессоры AMD К6
После появления процессоров Pentium ММХ корпорация AMD выпустила процессоры AMD Кб, в которых была заложена поддержка инструкций ММХ. Процессоры выпускались с тактовыми частотами 166, 200, 233 и 266 МГц.
Как и для процессоров AMD К5, новая серия процессоров имела черты процессоров следующего поколения (Pentium Pro) и также проигрывала в производительности математического сопроцессора.
Примечание
Компания Cyrix выпускала аналогичные процессоры – Cyrix 6х86МХ. В отличие от AMD и Intel, математический сопроцессор в Cyrix 6х86МХ работал значительно быстрее.
Дальнейшим развитием процессора AMD Кб стал AMD К6-2, в архитектуру которого был добавлен модуль для обработки инструкций 3DNowL Основным назначением такого нововведения была обработка трехмерной графики, а также аудио– и видеоданных. Но следует заметить, только программы, «знающие» об инструкциях 3DNow! могут полноценно использовать мощь этого процессора.
Фактически, при внедрении технологии 3DNow! корпорация AMD опередила Intel, которая смогла предложить аналогичное решение, введя технологию SSE в процессоры Pentium III.
Технологии SSE и 3D Now!
Технология SSE (Streaming SIMD Extensions) у процессоров Pentium III – это распространение принципа ММХ, обработки с помощью одной команды группы операндов с целыми числами, на инструкции, использующие числа с плавающей точкой. Технология 3DNow! в процессорах К6-2 позволяет делать то же самое, но в меньшем объеме.
Самое приятное, что можно было получить от процессора AMD К6-2, – это то, что при модернизации компьютера с процессором Pentium ММХ, установив вместо него AMD К6-2, можно достичь производительности, которую показывают компьютеры с процессором Pentium II. Конечно, не все системные платы поддерживают процессор AMD К6-2 и не все программы понимают инструкции 3DNow!.
В дальнейшем, уже на кристалле процессора AMD К6-3 расположили кэш второго уровня объемом в 256 Кбайт, работающий на тактовой частоте ядра процессора, сделав аналог Pentium III.
Процессоры AMD К7
До выхода процессора семейства К7 корпорация AMD развивала идеи Intel, а конкурентную борьбу вела в основном за счет более низких цен на процессоры. Но вот в новом процессоре AMD К7 были, наконец, применены технологии, сих пор не применявшиеся в семействе х86, которые позволяют поднять производительность компьютера не только за счет увеличения тактовой частоты (кстати, как это напоминает ситуацию с последними моделями 486 процессоров).
Первые процессоры седьмого поколения от корпорации AMD получили торговое наименование Athlon. Они устанавливались в картриджи, предназначенные для разъема Slot А.
Вначале процессоры Athlon поддерживали наборы инструкций 3DNow! и ММХ, в дальнейшем к ним добавились инструкции SMP (Symmetric MultiProcessing).
Последовательно были выпущены процессоры с ядром К7, К75 и К76 с частотами от 500 до 1000 МГц и кэшем второго уровня 512 Кбайт, который работал на половинной тактовой частоте ядра. Начиная с тактовой частоты ядра в 900 МГц, кэш второго уровня работал на 1/3 частоты ядра.
Следующий процессор Athlon с ядром Thunderbird был упакован в корпус, предназначенный для установки в Socket A (Socket 462), который был оригинальной собственной разработкой корпорации AMD. Новый процессор имеет встроенный в ядро кэш второго уровня объемом 256 Кбайт, работающий на полной частоте ядра. Выпускались два варианта процессора – с поддержкой шины 200 и 266 МГц (тактовая частота 100 и 133 МГц).
Так как процессоры Athlon уступали по частоте процессорам Pentium 4, то после выхода операционной системы Windows ХР процессоры Athlon получили ядро Palomino и название Athlon ХР (из рекламных соображений), правда, в маркировке стала указываться не реальная частота ядра процессора, а рейтинг относительно аналогичного по производительности Pentium 4.
Процессоры Athlon ХР выпускаются в двух модификациях – с ядром Palomino и Thoroughbred, различающихся лишь использованным технологическим процессом. Для серверных применений предназначен Athlon MP, а для ноутбуков – Athlon 4.
Примечание
У компьютеров с первыми процессорами Athlon имеется неприятная для пользователя особенность, о которой не надо забывать – от перегрева процессор может выйти из строя, повредив даже системную плату (тут, к сожалению, сказалось различие в конструкции тепловой защиты между процессорами Intel и AMD). Для защиты от перегрева в процессорах Athlon используется термодиод, расположенный на кристалле процессора, а управление системой тепловой защиты вынесено на системную плату, но, увы, разработчики ряда системных плат забыли о такой особенности, в итоге, процессор, не имеющий эффективного охлаждения, может довольно эффектно задымить. В табл. 2.4 приведены данные по выделению тепла различными моделями процессоров Athlon. Подробнее об охлаждении процессоров рассказано в гл. 6.
Тактовая частота процессоров AMD Athlon
ХР
и рассеиваемая ими мощность
Процессоры AMD Opteron
Конкурентная борьба между корпорациями Intel и AMD не прекращается ни на один день. Каждая корпорация стремится перещеголять противника не только совершенствуя свою продукцию, но и используя разные красивые названия. Как это хорошо видно со стороны, сейчас у корпораций Intel и AMD наиболее любимой рекламной акцией является объявление о грядущей новинке раньше конкурента хотя бы на час или день. Но мы не будем подсчитывать часы и минуты, т. к. эта книга не о маркетинге, а просто «заглянем» в производственные планы корпорации AMD.
Если корпорация Intel сообщила о процессоре нового поколения Intel Itanium 2, то можно быть уверенным, что аналогичный шаг был сделан и AMD. В данном случае, 24 апреля 2002 года компания AMD объявила о планах выпуска процессоров 8-го поколения для рабочих станций и серверов высшего уровня. Точно так же, как и у конкурентов, этот процессор был ранее известен публике под рабочим названием Hammer (в переводе с англ. – кувалда). Для продвижения на рынке корпорация AMD присвоила ему торговую марку AMD Opteron.
В процессоре Opteron используется технология HyperTransport, которая представляет собой высокоскоростную, высокопроизводительную связь типа "точка-точка". В первую очередь, эта технология направлена на повышение скорости обмена между чипами в персональном компьютере, что требует введения нового типа шины данных (примерно в 48 раз быстрее).
Процессоры AMD Duron
Не желая терять рынок дешевых персональных компьютеров, корпорация AMD на базе процессоров Athlon и Athlon ХР стала выпускать процессоры Duron, в которых была уменьшена тактовая частота, а кэш второго уровня сокращен до 64 Кбайт. Шина данных работала на тактовой частоте 100 МГц (200 МГц DDR). Для процессоров Duron был оставлен процессорный разъем Socket А, разработанный для процессоров Athlon и Athlon ХР.
Процессоры Duron выпускаются в двух вариантах. Для тактовой частоты от 600 до 950 МГц – с упрощенным ядром Thunderbird, а для частот выше 1 ГГц используется ядро Palomino (процессоры получили название Morgan).
Цены на процессоры AMD
Можно долго говорить о достоинствах и недостатках различных процессоров, но пользователя обычно интересует – а что можно купить в магазине и за какую цену? Ведь искать процессор, уже снятый с производства, явная авантюра – либо попадется бракованный экземпляр, либо подержанный, не стоящий тех денег, которые за него просят.
Ниже, в табл. 2.5 приведен прайс-лист корпорации AMD, который был доступен для всех желающих в начале 2002 г. Но следует заметить, что автор приводит его не для ознакомления с конкретными ценами, а лишь для того, чтобы читатель имел возможность сравнить ценовую и техническую политику двух конкурентов. В будущем, конечно, цены будут меняться, появляться новые процессоры, а старые сниматься с производства, но вряд ли принципы установления соотношения цена/качество будут в ближайшее время кардинально пересмотрены.
Цены на процессоры AMD (апрель 2002 г.)
Рассмотрение данных табл. 2.5 дает возможность понять реальное положение дел с выпуском различных типов процессоров корпорацией AMD, а не довольствоваться информацией из рекламных клипов и статей, которые вы, наверняка, не раз уже видели и читали. Кроме того, любопытна практика применения PR-рейтинга для маркировки процессоров.
Кодовые наименования процессоров
Кодовые наименования различным изделиям присваивают во всех крупных фирмах и во всех странах. Это намного удобнее, чем в служебных разговорах и переписке использовать длинные и неудобоваримые официальные наименования. Иногда внутрифирменные кодовые наименования становятся известны широким слоям пользователей, и, в очень редких случаях, они входят в повседневный обиход.
С кодовыми наименованиями процессоров за последние два-три года произошло невероятное – ими не только стали пользоваться в разговорах, но они вошли в официальные документы и маркировку процессоров. Заметим, что это относится практически ко всем ведущим корпорациям, занимающимся изготовлением процессоров (исключения, конечно, есть). Ниже приводится ряд кодовых наименований процессоров (выбраны наиболее популярные или используемые в различных источниках).
Хочется отметить, что только некоторые из кодовых наименований следует помнить, например для того, чтобы можно было успешно модернизировать свой компьютер, не опасаясь "спалить" процессор или не занимаясь решением проблем совместимости процессора, системной платы и памяти. В большинстве случаев, кроме красивостей и рекламных амбиций, эти наименования полезной информации для конечных пользователей не несут.
Intel
Корпорация Intel применяет следующие кодовые наименования:
• Banias – кодовое наименование процессоров с модифицированной архитектурой Pentium III, предназначенных для серверных приложений;
• Cascades – кодовое наименование процессоров Pentium III Xeon, в которых использовалась технология 0,18 мкм;
• Coppermine – наименование ядра процессоров Pentium III, а также процессоров Celeron, начиная с тактовой частоты 533 МГц. Такие процессоры отличаются пониженным напряжением питания ядра – от 1,5 В до 1,7 В. Установка на системную плату, не снабженную регулятором напряжения, приводит к выходу процессора из строя;
• Covington – первые варианты процессоров Celeron (1998 г.);
• Deschutes – наименование ядра процессоров Pentium II, которые выпускались по технологии 0,25 мкм (1998 г.);
• Dixon – наименование ядра мобильных процессоров Pentium II;
• Gallatin – наименование нового варианта ядра Foster;
• Foster – наименование ядра и процессоров Pentium 4 для серверных приложений с архитектурой Willamette;
• Itanium – торговая марка для 64-разрядных процессоров;
• Katmai – наименование ядра процессоров Pentium III (1999 г.);
• Klamath – наименование ядра первых процессоров Pentium II (1997 г.);
• Madison – новый вариант ядра McKinley;
• McKinley – наименование ядра и процессоров второго поколения с 64-разрядной архитектурой;
• Mendocino – наименование ядра процессоров Celeron (1998 г.). Такой тип ядра использовался до тактовой частоты 533 МГц;
• Merced – предварительное наименование процессора с архитектурой IA-64, официальное наименование – Itanium;
• Northwood – наименование ядра процессоров Pentium 4, для которых используется технология 0,13 мкм;
• Pentium – торговая марка процессоров с суперскалярной архитектурой, зарегистрирована корпораций Intel, чтобы избежать возможности использования названия другими фирмами (под маркой "486" выпускали процессоры многие фирмы);
• Prestonia – наименование ядра и процессоров Pentium 4, развитие процессоров Xeon с микроархитектурой NetBurst;
• Tanner – кодовое наименование процессоров Pentium III Xeon;
• Tillamook – наименование ядра процессоров Pentium, предназначенных для применения в портативных компьютерах (1997 г.);
• Tualatin – наименование ядра и процессоров Pentium III;
• Willamette – наименование ядра первых процессоров Pentium 4, для которых используется технология 0,18 мкм.
AMD
Корпорация AMD применяет следующие кодовые наименования:
• Appaloosa – улучшенный вариант ядра Morgan;
• Athlon – наименование процессоров седьмого поколения х86;
• Barton – процессор с ядром Thoroughbred, выполненный по улучшенной технологии;
• Duron – дешевый вариант процессора Athlon;
• Hammer – наименование 64-разрядных процессоров;
• Morgan – наименование ядра нового поколения процессоров Duron, выполненных на ядре Palomino;
• Palomino – наименование ядра второго поколения процессоров Athlon;
• Thoroughbred – улучшенный вариант ядра Palomino;
• Thunderbird – наименование ядра процессоров Athlon, в которых используется технология 0,18 мкм.
VIA
Корпорация VIA применяет следующие кодовые наименования (для совместных разработок фирм Cyrix, National Semiconductors, TSMC и VIA):
• Samuel – наименование ядра и процессора – аналогов Celeron;
• Ezra – наименование ядра и процессора с тактовой частотой от 750 МГц;
• Ezra-T – наименование ядра и процессора, совместимого с процессором Tualatin.
Centaur
Корпорация Centaur применяет кодовое наименование Winchip для процессоров – аналогов второго поколения процессоров Pentium и Celeron.
Compaq
Корпорация Compaq применяет кодовое наименование Alpha для процессоров с архитектурой, отличной от семейства х86.
Transmeta
Корпорация Transmeta применяет кодовое наименование Crusoe для процессоров с архитектурой, отличной от семейства х86.
А что дальше?
Прочитав до этого места, вы познакомились с текущим состоянием дел на компьютерном рынке процессоров. А что дальше? Куда направится процесс развития процессоров для персональных компьютеров? Какой процессор все же лучше покупать? Так можно сформулировать вопросы, которые, наверняка, у вас уже возникли.
Конечно, предсказать развитие научно-технического прогресса весьма сложно. Вопрос ведь не только в совершенстве схемотехники и в повышении производительности. Увы, в большинстве случаев решающую роль играют экономические факторы, поведение которых, если оглянуться на череду различных финансовых кризисов, учесть и предсказать просто невозможно. Поэтому лучше всего обратиться к прогнозам, которые озвучил Стивен Чейз (Stephen Chase), директор одного из подразделений корпорации Intel. Правда, приводить дословно очень интересное интервью не имеет смысла, поэтому ниже дано небольшое резюме, которое позволит вам заглянуть за кулисы компьютерной индустрии.
В первую очередь, как было сказано, в ближайшие 3–5 лет будут параллельно производиться 32– и 64-разрядные процессоры. Причем в каждом из этих семейств будут развиваться линейки процессоров для различных применений. Конечно, такое решение определяется ценовой политикой на различные типы процессоров, но, если мы вспомним прошлое, то, скорее всего, пользователям будут постепенно доступны по цене все более и более производительные процессоры.
Конец ознакомительного фрагмента.