Центральный процессор (стр. 4 )

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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