Центральный процессор (стр. 3 )

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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