Микропроцессоры и их характеристики

 
Микропроцессоры 
 
Микропроцессор (МП), или central processing unit (CPU) — функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем. 
 
Микропроцессор выполняет следующие функции:

•  
  вычисление адресов команд и операндов;
•  
  выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
•  
  выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
•  
  а прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
•  
  обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;
•  
  выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК; 
  переход к следующей команде.
•  
  Основными параметрами микропроцессоров являются:
•  
  разрядность;
•  
  рабочая тактовая частота;
•  
  размер кэш-памяти;
•  
  состав инструкций;
•  
  конструктив;
•  
  рабочее напряжение и т. д.

 
Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство. 
 
Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором. 
 
^ Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, ибо каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины материнской платы, с которой работает (может работать) МП. 
 
Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня: 
 
Q L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП 486 и у МП 386SLC); 
 
Q L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины. 
 
^ Состав инструкций — перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит даже классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIM и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут выполняться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП 386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium HI, Pentium 4. 
 
Конструктив определяет те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочие напряжения. 
 
^ Рабочее(ие) напряжение(ия) также определяет пригодность материнской платы для установки МП. 
 
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные. 
 
Все микропроцессоры можно разделить на четыре группы:

1.  
   МП типа CISC (Complex Instruction Set Command ) с полным набором системы команд.
2.  
   МП типа RISC (Redused Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд.
3.  
   МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным 
   словом.
4.  
   МП типа MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором 
   системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.

 
^ Микропроцессоры  типа CISC 
 
Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д. Законодателем мод здесь выступает Intel, но ей «на пятки наступает» AMD, в последние годы создавшая МП по некоторым параметрам лучше интеловских. Но пока МП фирмы Intel имеют большее распространение; характеристики некоторых из них приведены в табл. 5.1. Условные обозначения в графе «Состав команд»: ММХ = Баз + 57; ММХ2 = ММХ + несколько дополнительных 32-битных инструкций группы SSE (Streaming SIMD Extention), Особенности МП типа CISC:

•  
  обозначение F у памяти кэш уровня L2 означает, что память работает на часто 
  те процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора;
•  
  у микропроцессоров МП 80386,80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL 
  и т. д., отличающиеся от базовой модели разрядностью шин, тактовой часто 
  той, надежностью работы, габаритами, потреблением энергии, амплитудой на 
  пряжения и другими параметрами;

 
Q микропроцессоры Pentium, Pentium II, Pentium III имеют много различных модификаций, некоторые из них будут названы ниже; 
 
□ число элементов — это количество элементарных полупроводниковых переходов, размещенное в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микронах; 
 
О микропроцессоры 80486DX и выше имеют встроенный математический сопроцессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой;

•  
  у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд. В МП 286 предусмотре 
  ны регистры для очереди команд общим размером 6 байт, в МП 486 — 16 байт 
  и т. д. ^ Конвейерное выполнение команд — это одновременное выполнение раз 
  ных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредствен 
  ной передаче результатов из одной части МП в другую. Конвейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;
•  
  у МП 80286 и выше есть возможность работы в вычислительной сети)
•  
  у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти. Современные микропроцессоры имеют два режима работы.

 
■ Реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно выполнение только одной программы; непосредственно адресоваться могут только 1024 + 64 Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов. Режим поддерживается операционной системой DOS. 
 
■ Защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечивающий выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адресацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Обеспечивается непосредственный доступ к памяти емкостью 16 Мбайт при МП 286; 4 Гбайт при процессорах 386, 486, Celeron; 100 Гбайт при МП Pentium Xeon и 64 Гбайт при остальных процессорах Pentium, а при страничной организации памяти к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задачи. В этом режиме обеспечивается автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный режим поддерживается операционными системами Windows, UNIX и т. д.; 
 
у МП 80386 и выше имеется поддержка системы виртуальных машин. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадачной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы; у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти двух уровней (L1 и L2); 
 
у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять короткие операции за один такт. 
 
Таблица 5.1. Характеристики некоторых CISC МП 

 
 
^ Микропроцессоры  Pentium 
 
Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обозначения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и т. д.). Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд (возможно независимое выполнение сразу двух простых команд), и кэш-буфер для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, выполняющим каждую команду как бы за один такт. Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с. 
 
У всех МП Pentium имеется встроенная кэш-память, отдельно для команд, отдельно для данных по 8-16 Кбайт, и встроенный контроллер кэш-памяти 2-го уровня (что обеспечивает работу последней на внутренней частоте МП); имеются специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, существенно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой. Удачные архитектурные решения МП Pentium обусловили то, что производительности микропроцессоров 486DX4-120 и Pentium-60 приблизительно одинаковы (то есть за счет архитектуры производительность увеличилась в два раза). 

 
 
Микропроцессоры Pentium Pro 
 
В сентябре 1995 года прошли презентацию и выпущены МП шестого поколения 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro. Микропроцессор состоит из двух кристаллов: собственно МП и кэш-память. Но он не полностью совместим с просто Pentium и, в частности, требует специальную системную плату. Pentium Pro прекрасно работает в 32-битных приложениях, а в 16-битных иногда даже несколько проигрывает просто Pentium. Благодаря новым схемотехническим решениям они обеспечивают для ПК более высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение» (dinamic execution), что, в первую очередь, означает наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (superpipelining), предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution). 
 
В программах решения многих задач, особенно экономических, содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейеров. Тем не менее следует сказать, что если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и загрузить нужные команды заново, что требует достаточно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90 % против 80 % у МП Pentium. 
 
Кэш-память емкостью 256-512 Кбайт — обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная кэш-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2-5 раз ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro есть и кэш память 1-го уровня (по 8 Кбайт для команд и данных) и кристалл кэш-памяти 2-го уровня емкостью 256 или 512 Кбайт, находящийся тоже на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней частоте МП. 
 
Микропроцессоры Pentium MMX и Pentium II 
 
В январе и июне 1997 года прошли презентацию модернизированные для работы в мультимедийной технологии микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, получившие торговые марки соответственно Pentium MMX (MMX — MultiMedia eXtention) и Pentium И. МП Pentium MMX содержит дополнительные 57 команд, ориентированные на обработку аудио- и видеоинформации, увеличенную вдвое (до 32 Кбайт) кэш-память, дополнительные восемь 64-битных регистров, новый блок предсказания ветвлений, заимствованный у МП Pentium Pro и т. д. Вследствие этого у него на 1 млн транзисторных элементов больше, чем у МП Pentium. 
 
Для эффективного использования этих микропроцессоров во все старые программы (в том числе и в операционные системы Windows 95, Windows NT) необходимо включить согласующие программные фрагменты; правда и без них МП Реп tium MMX несколько производительнее просто МП Pentium. При выполнении обычных приложений МП Pentium MMX на 10-15 % быстрее МП Pentium, а при выполнении мультимедийных приложений с использованием новых 57 команд он уже быстрее на 30 % (для сравнения: МП Pentium Pro быстрее МП Pentium при выполнении обычных приложений примерно на 20 %). Программы, написанные с учетом специфики Pentium MMX, не будут работать на ПК с обычным МП Pentium. Для МП Pentium MMX требуется системная плата с разъемом Socket 7, с новым BIOS, поддерживающим ММХ, и с двумя напряжениями питания (3,5 и 2,8 В). 
 
МП Pentium II имеет иную конструкцию, нежели все остальные МП, в частности он выполнен в виде небольшой платы-картриджа (корпус SECC), на которой размещены сам процессор (содержащий 7,5 млн транзисторов, против 5,5 млн в МП Pentium Pro) и четыре микросхемы кэш-памяти 2-го уровня, общим объемом 512 Кбайт. Кэш-память 1-го уровня, находящаяся в микросхеме самого процессора, имеет емкость 32 Кбайта против 16 Кбайт, имевшихся в МП Pentium Pro, но кэш-память 2-го уровня работает не на внутренней частоте МП, а на вдвое меньшей частоте. 
 
Важным отличием Pentium II является архитектура двойной независимой шины (первые варианты введения такой шины были уже у МП Pentium Pro). Процессор обменивается данными с кэшем L2 по специализированной высокоскоростной шине (иногда называемой «backside» — задней), отделенной от системной шины («frontside» — передней). Системная шина работает на частоте материнской платы, и это существенно снижает эффективное быстродействие машины. Наличие же backside-шины ускоряет обмен с кэш-памятью. 
 
МП Pentium II поддерживает двухпроцессорную конфигурацию ПК. В МП Pentium Pro и Pentium II появилась качественно новая перспектива: начали внедряться так называемые SIMD (Single Instruction Multiply Data — сравните со структурами многопроцессорных систем) инструкции, в которых одно и то же действие совершается над многими данными (эта технология получит развитие в следующих моделях МП). МП производится на основе 0,35-мкм технологии и использует напряжение питания 2,8 В. Для него, естественно, требуется иная системная плата, нежели для всех других Pentium. Микропроцессоры Pentium II имеют много модификаций: Klamath, Dechutes, Katmai, Tanga; МП средней группы Celeron — Covington, Mendosino, Dixon. 
 
Для более дешевых компьютеров предложили облегченный вариант процессора, названный Celeron. Первые процессоры Celeron имели частоты 266 и 300 МГц. Вторичный кэш исключили, что заметно отразилось на производительности ПК (системные платы с разъемом Slot 1 вторичного кэша не имеют), и машина оказалась малоэффективной. Выпустили процессоры CeleronA, которые имеют небольшой (128 Кбайт) вторичный кэш, установленный на плате МП и работающий уже на полной частоте МП. Эти процессоры, известные также под названием Mendocino, стали очень популярными. 
 
Кроме широко известных особенностей вторичного кэша (либо его нет, либо 128 Кбайт), процессор Celeron имеет следующие отличия от Pentium II: 
 
а разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 бит (адресуемая память — 4 Гбайт); 
 
Q несколько ослаблены процедуры контроля достоверности преобразования информации; 
 
□ Celeron предназначен только для однопроцессорных конфигураций. 
 
Процессоры CeleronA являются самыми популярными из недорогих компьютеров и в настоящее время. Большинство МП Pentium II, в том числе и CeleronA, поддерживают частоту шины системной платы 100, 133 и более мегагерц (предыдущие модели — только 66 МГц). 
 
Микропроцессоры Pentium III 
 
Новинка 1999 года — процессоры Pentium III (Coppermine) — являются дальнейшим развитием Pentium П. Их главным отличием является основанное на новом блоке 128-разрядных регистров расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium П. . 
 
Кэш 2-го уровня у МП Pentium III имеет размер 256 Кбайт, работает на полной частоте МП и обслуживается быстродействующей backcide шиной, что во много раз ускоряет как работу с кэшем, так и производительность ПК в целом. МП предназначены для работы с материнскими платами, имеющими чипсеты (набор микросхем, связывающих процессор с остальной системой) Intel: 440BX, 440ZX, 440GX, 810, 815,820, 840 и более новые; поддерживают частоту шины материнской платы 100, 133, 150 МГц и выше. «Простые» Pentium III устанавливаются в Слот 1, Pentium HI Xeon — в Slot 2. Процессоры Pentium HI Xeon (и последующие модели Tanner, Cascades) являются продолжением линии МП Pentium Pro и отличаются увеличенным кэшем 2-го уровня (512, 1024 и 2048 Кбайт), работающим на полной частоте МП. 
 
Микропроцессоры Pentium 4 
 
Последняя на 2001 год модификация МП Pentium — Pentium 4. Она предназначена для высокопроизводительных компьютеров, в первую очередь серверов, рабочих станций класса high-end и мультимедийных игровых ПК. Рассмотрим основные особенности Pentium 4. 
 
Добавлены 144 новые потоковые инструкции, расширяющие набор SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). Модуль вычислений с плавающей запятой и потоковый модуль оптимизированы для работы с видео- и аудиопотоками, ЗО-технологиями. 
 
Имееется кэш 2-го уровня размером 256 Кбайт; он работает на полной частоте МП, использует встроенную программу коррекции ошибок и обслуживается быстродействующей шириной 256 бит (32 байта) шиной, работающей на частоте МП. Это для Pentium 4 с частотой 1500 МГц, например, обеспечивает скорость обмена с кэшем (трансфер) 48 Гбайт/с. 
 
Есть возможность работы с системной шиной с эквивалентной частотой 400 МГц (Quard-Pumped Bus no 100 МГц), обеспечивая скорость обмена 3,2 Гбайт/с. Вновь улучшена система «динамического исполнения» (dinamic execution), что, в первую очередь, связано с наличием 20-ступенной (у МП Pentium III конвейер имел 10 ступеней) суперконвейерной структуры (superpipelining), лучшего предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и параллельного спекулятивного исполнения команд по нескольким предполагаемым путям ветвления (speculative execution). Поясним это. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии можественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций независимо от порядка их следования в тексте программы. И наконец, спекулятивное выполнение повышает скорость выполнения программы за счет выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности. Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «спекулятивные» с последующим удалением тех, которые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального. 
 
Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битных конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер. Суть в том, что при длинном конвейере в задачах с частыми условными переходами его эффективность снижается. Два параллельных конвейера снижение эффективности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или нескольких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) исполняется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 тактов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выполнены за такт. Используется новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine), использующая два быстрых, работающих на удвоенной частоте процессора АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье медленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.). 
 
Процессор имеет площадь кристалла 217 кв. мм, потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 млн транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать высокоэффективную ММХ-систему, но для этого необходимо наличие: