Современные типы процессоров персональных ЭВМ

          Внутренняя и внешняя тактовая частота

Существуют два типа тактовой частоты: внутренняя и внешняя.

·        Внутренняя тактовая частота — это тактовая частота, на которой функционируют электрические схемы внутри процессора.

·        Внешняя тактовая частота (частота системной шины) — это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

Тактовая частота процессора определяется количеством элементарных операций (тактов), которое он выполняет за одну секунду. Измеряется она в герцах (1 ГГц = 1000 МГц = 1 000 000 кГц = 1 000 000 000 Гц). Количество тактов в секунду, выполняемых процессором, не совпадает с фактическим количеством операций в секунду, осуществляемых компьютером. Во-первых, для реализации многих математических операций процессору требуется несколько тактов. Во-вторых, конкретное количество элементарных операций зависит от типа процессора (чем выше тип, тем меньшее количество тактов требуется для выполнения одной и той же операции). В-третьих, на скорость компьютера влияет скорость работы некоторых его компонентов. В-четвертых, быстродействие компьютера в основном определяется именно тактовой частотой процессора. Поэтому формально можно сказать, что компьютер с тактовой частотой процессора 1000 МГц выполняет 1000 млн операций в секунду. Таким образом, чем выше тактовая частота, тем больше скорость процессора.

         Разрядность процессора.

Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров.

Компьютер может одновременно оперировать  ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности  внутренних регистров. Разряд — это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер способен обработать столько информации, сколько может поместиться в регистрах.

          Если регистры могут хранить восемь единиц информации, то они 8-разрядные и процессор 8-разрядный (если регистры 16-разрядные, то и процессор 16-разрядный и т. д.). Чем выше разрядность процессора, тем большее количество информации он сможет обработать за один такт.

          На текущий момент применяются 32- и 64-разрядные центральные процессоры.

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

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

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

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

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

2. История развития  процессоров.

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

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

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

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

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

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

   Компьютеры 486 серии имели тактовую частоту 25 и 33 Мгц. В первых моделях Pentium основные частоты составляли 50, 60, 66 Мгц. Современные компьютеры выпускаются с частотами 100 и 133 Мгц и выше. В силу того, что процессор работает на собственной частоте, превышающей частоту системной шины, вводится умножающий коэффициент, который свидетельствует о количестве тактов, производимых процессором за один такт системной шины.   

   Например, процессор Pentium 120 имеет тактовую частоту 120 Мгц, а частоту системной шины 60 Мгц, то есть за один такт системной шины произойдет два такта у процессора. Этот коэффициент может быть не целым числом, например, у процессора Pentium 166 частота процессора составляет 166 Мгц, а частота системной шины 66 Мгц, то есть умножающий коэффициент равен 2,5. В этом случае за два такта системной шины происходит 5 тактов центрального процессора.

   Рассмотрим основные виды процессоров.

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

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

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

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

  80286 (или просто 286). Процессор 80286 начал выпускаться в 1982 г., внутренняя разрядность и внешняя, а также адресная шина имели 16 разрядов, шина данных - 24 разрядов, с адресацией до 16 Мб (2²⁴) и частотой 12-20 Мгц.               

   Часто этот вид компьютеров назывался PC AT (произносится как «пи си эй ти»). В этом процессоре добавилось несколько новых машинных команд, появился защищенный режим, который осуществлялся аппаратными средствами. Процессор также поддерживал реальный режим, который использовался в процессорах 8086, появилось средство контроля перехода за границу сегмента. Однако существовали трудности при переходе из защищенного в реальный режим, которые были преодолены только в 386 процессоре.

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

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

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

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

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