Современные типы процессоров персональных ЭВМ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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