Современные типы процессоров персональных ЭВМ

    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.

   Картридж так назван потому, что выводы на нем расположены вдоль одной стороны. Кроме того, из-за многочисленности контактов, чтобы они плотно входили в паз, стали использоваться ZIF гнезда (Zero Insertion Force - нулевая сила вставки) с рычажком, при помощи которого можно зажать контакты. Если раньше разъем, куда вставляется процессор, назывался Socket 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, то теперь название разъема стало называться Slot 1, который имеет 242 контакта. Все права на разработку данного разъема находятся у компании Intel, поэтому другие производители процессоров используют свои гнезда Socket, как правило, Socket 7.

    Заметим, что процессор, спроектированный для одного вида разъема, в другой разъем не вставляется, поэтому при покупке материнской платы и процессора нужно убедиться в их соответствии.

   Отличие от предыдущих процессоров заключается в использовании двух системных шин, одна между CPU и памятью RAM, вторая между CPU и кэш-памятью второго уровня, что позволило увеличить тактовую частоту шины с 66 Мгц до 100 Мгц (тактовые частоты процессоров 350, 400, 450 гц). Сам процессор располагается в специальном контейнере (SEСC-картридже), в котором находится процессор и кэш-память (512 кб), между которыми имеется специальная рабочая шина, работающая на половинной частоте процессора, и имеет код исправления ошибок (ЕСС). На корпусе процессора установлен вентилятор, а для подключения к материнской плате используется специальный новый разъем, который называется Slot 1.

   Данный процессор использует отдельную шину для видеокарт AGP (Advanced Graphics Port – расширенный графический порт). Другие характеристики, включающие в себя: количество ступеней конвейеров (3) и предсказание переходов - аналогичны системе Pentium Pro. Pentium II Xeon характеризуется большим объемом кэш-памяти, которая работает на одной тактовой частоте вместе с процессором. Для установки процессора используется Slot, который имеет 330 контактов, расположенных на трех уровнях.

   В 1998 годах выпущен процессор Celeron I с тактовыми частотами: 266, 300, 333, 366, 400, 433, 466, 500, 533, далее Celeron II 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800, 850, 900, который аналогичен процессору Pentium II ММХ, но не имеет или имеет меньшую кэш-память второго уровня, чем процессоры Pentium II. Модель Covington имеет встроенную кэш-память 32 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Mendocino имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Coppermine имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц, устанавливается для картриджа SECC в Slot 1, а PPGA в Celeron Socket. По параметру производительность/цена он имеет не лучший показатель в самых первых моделях, но неплохо зарекомендовали себя в последующем, включая самые последние модели. Преимуществом покупки данного процессора является возможность замены в будущем на новый процессор, так как не требуется смены других компонентов (например, материнской платы, памяти).

    Celeron является удешевленным вариантом процессора Pentium II. Первые процессоры выпускались без встроенной кэш-памяти, однако из-за резкого падения производительности ее со временем стали устанавливать, но меньшего объема, учитывая, что для повышения производительности требуется небольшое количество этой памяти (128 Кбайт), а при ее резком увеличении производительность возрастает на небольшую величину. Поэтому наличие небольшого объема кэш-памяти оправдано. Кроме того, эти процессоры выпускались для работы с системной шиной 66 Мгц, а не 100, и расположены они в SEPP, устанавливающийся в Socket 370, который имеет 370 контактов и конструктивно представляет собой прямоугольник, как и разъем Socket 7.

   Pentium III (1999 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров и позволяет работать с новым видом инструкций SIMD (Single Instruction Multiple Data - одиночная инструкция над одиночными данными, также называемая MMX2, KNI (Katmai New Instructions – новые команды Katmai)), которые работают с данными с плавающей запятой. Pentium III имеет старое название Katmai, является модификацией Pentium II. Данные операции повышают производительность трехмерной графики и видеоприложений. Кроме того, компания Intel осуществила переход на 0,18 мкм технологию (серии Coppermine и Xeon). Имеет тактовую частоту 533, 550, 600, 650, 667, 700, 733, 750, 800, 850, 866, 933, 1 000, 1 130, 1 200 и выше с частотой системной шины 100-133 Мгц, устанавливаются в корпусе PPDA в Socket 370 и SECC в Slot 1.

    Для использования команд SIMD используются дополнительные 128-разрядные регистры. В этих регистрах можно одновременно выполнить несколько целочисленных операций или операций с плавающей запятой. Кроме того, имеются операции, специально предназначенные для кодирования и декодирования изображений, например, вычисление среднего значения из нескольких.

   После того, как компания Intel ввела команды ММХ, компания AMD создала набор команд 3DNow!, которые повышают производительность компьютера, особенно для трехмерных задач в играх. Другие компании (Cyrix и пр.) также присоединились к этой технологии и стали выпускать процессоры, которые поддерживают данный набор команд, а компания Microsoft обеспечила поддержку этих команд в системе Windows. В ответ на эту разработку компания Intel и ввела новый набор команд SSE (Streaming SIMD Enhanced - потоковое расширение).

   Возможности дополнительных наборов команд используются в основном в игровых программах, в других программах довольно редко, а 3DNow! используется более активно, так как входит в систему Windows.

   Pentium II имел несколько видов процессоров, которым дали наименование при их разработке, это: Klamath, Deshutes, для Pentium III – Katmai, Coppermine, Tanner, Cascades, для Celeron – Covington, Mendocino, Coppermine. Pentium IV с тактовой частотой 1,4 Ггц имеет название Willamate, имеет кэш-память 1-го уровня 256 Кб, второго 512-1024 Кб, использует системную шину 100 Мгц и 133 Мгц, которая передает за один такт несколько данных. Таким образом, пропускная способность шины 133 Мгц достигает 3,2 Гбайт/сек, вставляется в Socket 462. Вышеописанные процессоры выпускаются в основном компанией Intel. Другие компании также выпускают свои процессоры, причем их параметры не сильно отличались для 86, 286, 386. Однако в 486 расхождения стали увеличиваться.

   Процессоры, выпускаемые компанией-производителем, могут со временем корректироваться, то есть в них вносятся улучшения и выпускаются новые подверсии, однако пользователю они мало что говорят, и, как правило, о них не пишут.

3. Типы процессора. Современные модели процессоров.

На сегодняшний день существует несколько типов процессоров, основными  из которых являются Intel и AMD. Вот  некоторые представители этих типов: Intel Celeron, Intel Pentium 4, Intel XE, AMD Athlon, AMD Opteron, Athlon 64 X2 и др. Все они отличаются исполнением, используемыми технологиями (алгоритмами) и быстродействием. Рынок предлагает очень большой выбор процессоров разной ча­стоты, начиная с «младших» (более дешевых) моделей (Intel Celeron 2 ГГц, Intel Pentium 4 1,7 ГГц, AMD Athlon) и заканчивая моделями высшей категории (Intel Celeron 3,2 ГГц, Intel Pentium 4 3,8 ГГц, AMD Athlon 64 X2 4800+ ) Стоит также упомянуть о том, что создание процессоров идет по двум направлениям: процессоры для персональных компьютеров и серверов и процессоры для переносных устройств (ноутбуков, КПК, PDA и др.)- Процессоры второго направления характеризуются уменьшенным потреблением энергии, что особенно важно для данного типа устройств. 

Одноядерные процессоры (Single Core). Этот тип процессора, основанный на одноядерной архитектуре до недавнего времени был единственным типом процессора, который мог использоваться в домашних компьютерах. Одноядерный процессор мог выполнять только одну операцию одновременно, поэтому он не мог эффективно работать в средах, где требовалась многозадачность. Это означало, что при запуске более чем одного приложения снижалась производительность системы. Конечно, процессор мог начать выполнять другую операцию до окончания первой, но это влияло на производительность. Их производительность зависела от тактовой частоты, которая влияла на энергопотребление процессора.

Двуядерный процессор (Dual Core) состоит из одного процессора с двумя ядрами и, следовательно, работает как два процессора в одном. В отличие от одноядерных систем, которые для решения другой задачи должен был переключаться на нее, двуядерные могут работать в режиме многозадачности намного более эффективно. Для этого программы и приложения, запускаемые на двуядерных процессорах должны иметь специальный код SMT (Simultaneous Multi-Threading). Двуядерные процессоры быстрее одноядерных, но сейчас они вытесняются новыми процессорами с четырьмя ядрами.

Четырехядерные (Quad Core) процессоры являются результатом продолжающегося совершенствования дизайна и характеристик многоядерных процессоров, созданных на базе одного. Также как и двуядерные процессоры четырехядерные позволяют разделить задачи между своими ядрами и еще больше увеличить многозадачность. Это не значит, что одна операция будет выполнять в четыре раза быстрее и если программы и приложения без SMT кода, то увеличения скорости не будет заметным. Этот тип процессора будет полезен для тех, кому нужно выполнить одновременно несколько задач, например в компьютерных играх типа Supreme Commander специально заточенных под эти игры.  Центральный процессор, далее процессор, является одним из главных компонентов компьютера. Часто его называют ЦПУ или CPU (Central Processor Unit - Центральное Процессорное Устройство), а также кристалл, камень, хост-процессор. Именно он выполняет все основные вычисления. И чем мощнее процессор, тем быстрее работает компьютер.

          Современные персональные компьютеры используют, как правило, определенный алгоритм обработки данных, называемый архитектурой Фон Неймана, когда инструкции и сами данные хранятся в одной памяти, а сам процесс обработки построен на циклической последовательной обработке данных. Правда, именно последовательность обработки является узким местом такой архитектуры, так как любое данное должно последовательно пройти через процессор, хотя само вычисление может быть однотипным.

          Из иных алгоритмов назовем Гарвардскую архитектуру, когда данные и программный код используют разную память.  Однако в этом случае сложно использовать методы программирования, когда нужно поменять код в процессе выполнения программы, нельзя оперативно перераспределять память и т.д. Используется в встраиваемых компьютерах. Другой алгоритм, параллельный, применяется в суперкомпьютерах для ускорения процесса вычисления.

          Можно выделить следующие типы процессоров: 
1) Скалярные (SISD Single Instraction Single Datae) обрабатывает один элемент данных за одну инструкцию  
2) Векторные (SIMD Single Instraction Midle) обрабатывает несколько данных выполняя над ними одну операцию  
3) MISD (Midle instruction single date) несколько вычислительных устройств выполняют различные операции над одним данным  
4) MIMD (Midle instruction midle date) несколько вычислительных устройств выполняют различные операции над различными данными (например многопроцессорная система из скалярных процессоров)  
5) Конвейер над данными движущимися через конвейер выполняются различные операции на каждом шаге конвейера  
6) Систолические матрицы данные обрабатываются в процессорных элементах расположенных в виде массива. 
          Каждый из этих "типов" можно разделить еще на подтипы. В чистом виде каждый тип встречается редко, обычно процессор (микроконтроллер) может принадлежать сразу к двум типам (например, векторно-конвейерный). RISC и CISC (сокращённый и сложный набор команд соответственно).

          Рассмотрим модели современных процессоров. Некоторые из них были разработаны в недавнем прошлом, такими гигантами как Intel и AMD, а какие-то относятся к новинкам.

          Например, Pentium IV (2001 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров на основе гиперконвейерной обработки с глубиной на 20 стадий, улучшенное предсказание переходов, имеет блок быстрого выполнения команд (Rapid Execution Engine) и скорость системной шины 400, 533, 800 Мгц. Кэш-память первого уровня содержит 8 кб (16кб для процессоров по 0.09 нм технологии), второго – 256 Кб (512 кб для процессоров по 0.13 нм технологии), отслеживает выполнение команд (Execution Trace Cache). Кэш-память второго уровня работает на половинной частоте центрального процессора. Частоты процессора бывают 1 300, 1 400, 1 500, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 600, 2 800, 3 00, 3 060, 3 200, 3 400 и более Мгц.

   Центральные процессоры, работающие с системной шиной с частотой 800 МГц могут иметь следующие частоты: 2 400, 2 600, 2 8000, 3 000, 3 200, 3 400, 3 600 Мгц. С системной шиной 533 МГц – 2 260, 2 400, 2 530, 2 660, 2 800, 3 060 Мгц. С системной шиной 400 МГц – 1 700, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 500, 2 600 Мгц.

   Отметим, что цифры частоты системной шины не соответствуют действительной частоте шины. Так, когда говорится о частоте 533 Мгц, то на самом деле она равна 133 Мгц, но за один такт посылает не одно данное, а четыре. Поэтому за одну секунду можно передать 133 * 4 = 532 миллионов бит, что округляется до 533 Мгц, что удобнее. На самом деле передача четырех данных за один такт по 133 Мгц шине несколько медленнее, чем передача одного данного по 533 Мгц шине. Происходит это из-за того, что при передаче возможны случаи, когда за один такт можно передать только одно данное, например, управляющий символ. Практически все частоты свыше 200 Мгц являются либо удвоенными, либо учетверенными от начальной частоты.