Процессоры
"Сердце" материнской платы — процессор, точнее, главный процессор (Central Processing Unit, CPU). Подобные процессоры находятся не только в PC. Процессором, вообще говоря, оборудована каждая современная стиральная машина или микроволновая печь. CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. На материнской плате имеется, естественно, не только процессор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока PC включен.
Примечание
Корпорация Intel была основана в середине июня 1968 г. Робертом Нойсом (Robert Noyce) и Гордоном Муром (Gordon Moore)/С тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров. Число ее сотрудников превышает 64 тысячи человек. Свою деятельность Intel осуществляет по всему земному шару.
Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. На рынке PC имеется признанный лидер — фирма Intel, которая является (и была) "домашним" и "дворовым" поставщиком CPU для IBM-совместимых PC. Основным конкурентом Intel является корпорация AMD (Advanced Micro Devices), которая в последнее время заметно потеснила Intel на рынке CPU, предназначенных для недорогих PC. Выпускают CPU и другие фирмы. Наиболее известны из них Cyrix, Centaur, IDT, Rise. Летом 1998 г. корпорация VIA Technologies, успешно конкурирующая с Intel в области разработки и производства Chipset, приобрела компании Cyrix (у корпорации National Semiconductor) и Centaur (у IDT) и приступила к разработке собственных CPU.
Примечание
AMD (Advanced Micro Devices), основанная в 1969 г., — один из ведущих мировых поставщиков CPU архитектуры х86 для PC. AMD также производит флэш-память, коммуникационные и сетевые продукты. Штаб-квартира фирмы находится в Sunnyvale (Калифорния, США), ее филиалы разбросаны по всему миру. Сейчас в AMD работает примерно 13 тысяч сотрудников.
Процессоры, как и все электрические схемы, подразделяются по типам. Для PC обозначение CPU начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или цифрами, указывающими тактовую частоту процессора.
Перед обозначением типа процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. Например, маркировка 180486DX-50 указывает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel, работающий на тактовой частоте 50 МГц. Микросхемы фирмы AMD маркируются префиксом AMD, а процессоры Cyrix — СХ. При запуске PC эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора. Процессоры других изготовителей, установленные не как CPU, уже трудно идентифицировать. Обозначение "80" перед именем процессора часто не указывается.
Основные характеристики процессоров
Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:
□ Степень интеграции
□ Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных П Тактовая частота
□ Память, к которой может адресоваться CPU
□ Объем установленной кэш-памяти
Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, форм-фактору и др.
Современные CPU, начиная с CPU Pentium, различаются наличием кэшпамяти второго (третьего) уровня и тактовой частотой ее функционирования, применением различных технологий, призванных повысить производительность CPU, поддержкой различной тактовой частоты системной шины и др.
В табл. 6.1—6.3 приведены основные характеристики CPU различных фирм-производителей.
Таблица 6.1. Основные характеристики процессоров корпорации Intel
Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться. Для процессора Pentium (80586) Intel — это приблизительно 3 млн транзисторов, расположенных на площади 3,5 см2, а для CPU Athlon — уже 22 млн.
Специалисты Intel считают, что если развитие микропроцессорной индустрии будет продолжаться прежними темпами, то, вполне возможно, к 2011 г. микропроцессоры Intel будут работать на тактовой частоте 10 ГГц. При этом на каждом таком процессоре может находиться до 1 млрд транзисторов.
Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно. Для примитивных арифметических команд, выполняющихся внутри CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.
Процессор управляет системой, обмениваясь данными с кэш-памятью, RAM и другими устройствами по специальным магистралям, называемым шинами.
Важнейшими характеристиками шины являются ее разрядность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шине, — пропускную способность шины.
Тактовая частота современных процессоров превысила 300 МГц и приближается к 3 ГГц, а тактовая частота системной шины составляет, как правило, лишь 66 МГц (в последних моделях материнских плат — 100 и 133 МГц), поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы CPU.
В табл. 6.4—6.6 представлена внешняя разрядность данных процессоров различных поколений, а также тактовая частота и пропускная способность системной шины.
Примечание
Разрядность процессора определяется внутренней, а не внешней разрядностью данных. Например, хотя CPU Pentium может одновременно пересылать/получать 64 бита данных, он является 32-битным, потому что может обработать одновременно только 32 бита.
Таблица 6.4. Внешняя разрядность данных CPU первого и второго поколения
и пропускная способность системной шины
Любой современный PC имеет тактовый генератор (System Clock), который синхронизирует работу различных его компонентов. Минимальный промежуток времени, определяемый тактовым генератором, еще называют циклом. Частота работы тактового генератора FSB измеряется в мегагерцах (миллион циклов в секунду).
Первые PC имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц синхронизировал работу процессора, памяти и шины ввода/вывода. С развитием PC возникла необходимость в использовании нескольких тактовых генераторов. Как правило, современные PC оборудованы 4—5 тактовыми генераторами, работающими синхронно на различных частотах. Когда говорят о тактовой частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов PC являются кратными частоте системной шины. В табл. 6.7 представлены тактовые частоты различных компонентов системы с CPU Pentium II, работающим с тактовой частотой 266 МГц.
Таблица 6.7. Тактовые частоты различных компонентов системы
Таким образом, производительность всей системы в целом зависит от тактовой частоты системной шины.
Увеличение тактовой частоты системной шины обычно дает больший положительный эффект для повышения быстродействия системы, чем увеличение тактовой частоты CPU, т. к. CPU пропускает большое количество циклов в ожидании информации от более медленных устройств, одним из которых является системная шина.
CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью PC. Данные, которые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в RAM и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти.
Представьте оперативную память как маленький город, в котором каждый дом (ячейка памяти) имеет отдельный адрес. При этом транспортный сервис может целенаправленно отдавать и завозить письма, посылки и т. п. Дорогой является адресная шина.
Адресная шина представляет собой набор проводников, по которым передается информация о местоположении данных в той или иной области памяти.
Ширина адресной шины определяет количество ячеек, к которым может обратиться CPU для чтения или записи. Ширина адресной шины и ширина шины данных не связаны, хотя эти шины работают с одинаковой тактовой частотой.
Как правило, процессоры могут адресовать гораздо больше памяти, чем фактически установлено (и может быть установлено) на материнской плате, что связано с конструктивными и технологическими особенностями производства материнских плат. Например, CPU Pentium теоретически может адресовать 4 Гбайт оперативной памяти, но даже современные материнские платы с Chipset 440BX обеспечивают работу лишь 540 Мбайт.
В табл. 6.8 представлены ширина адресной шины и максимальный объем оперативной памяти, к которой могут обращаться процессоры различных типов.
Таблица 6.8. Зависимость объема адресуемой памяти от ширины адресной шины
Реальный режим
Реальный режим (Real Mode) соответствует возможностям CPU 8086/8088, позволяя адресовать не более 1 Мбайт памяти.
Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, процессоры 286 и даже Pentium работают под управлением операционной системы MS-DOS в реальном режиме и используют при этом, конечно же, минимальные возможности процессора.
Защищенный режим
Защищенный режим (Protected Mode) появился впервые в CPU 80286. В этом режиме CPU может адресовать до 16 Мбайт физической и до 1 Гбайт виртуальной памяти. Если физическая память полностью загружена, то данные, не поместившиеся в память, располагаются на винчестере. Таким образом, CPU работает не с реальными, а с виртуальными адресами, которые управляются с помошью специальных таблиц, чтобы информацию можно было найти (или снова записать). Эту память называют еще виртуальной памятью потому, что фактически она не существует.
Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима {Multitasking). При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, отведенные каждой из программ (пользователю же кажется, что программы выполняются одновременно).
Виртуальный режим
Впервые, начиная с процессора 386, CPU могут эмулировать работу нескольких процессоров 8086 (максимум 256) и, тем самым, обеспечить многопользовательский режим так, чтобы на одном PC можно было запустить одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увеличивается и возможное количество выполняемых приложений.
Процессоры первого и второго поколения
CPU второго поколения могут работать в защищенном режиме. И в этом заключается их основное отличие от CPU первого поколения.
Процессор данного типа применялся фирмой IBM в вычислительных системах класса XT (Extended Technology). Этот "оригинальный PC" имел тактовую частоту 4,77 МГц и был оборудован оперативной памятью 256 Кбайт.
CPU 8088 и 8086 работают внутри с 16-разрядными данными, однако если процессор 8086 как передает, так и принимает 16 бит данных, то CPU 8088 (рис. 6.1) ограничен при передаче данных только 8 битами. Процессоры 8086/8088 можно заменять на процессоры V20 и V30 фирмы NEC.
80286
В 1984 г. фирма IBM представила на рынок первый PC AT (Advanced Technology). Процессор 80286 обладал новым свойством — наряду с реальным режимом он мог также работать и в защищенном режиме, что явилось основанием для распространения конкурирующих с DOS таких операционных систем, как OS/2 и UNIX, и, конечно же, графической оболочки Windows. По своим возможностям в этом режиме можно обращаться уже к 16 Мбайт физической памяти и даже к 1 Гбайт виртуальной.
Кроме того, процессор 80286 переносит существенно более высокую тактовую частоту, чем его "меньший брат". Оригинальный IBM AT поставлялся с тактовой частотой 6 или 8 МГц. До "вымирания рода" материнских плат 286, "сердце" некоторых из них билось уже с частотой 20 МГц — по сравнению с XT непомерное увеличение мощности.
Основные отличия CPU третьего поколения от CPU второго поколения — возможность работы в виртуальном режиме, наличие внешней кэш-памяти CPU (расположенной на материнской плате) и 32-разрядное ядро CPU.
Первый компьютер с CPU 386 (рис. 6.2) пришел к нам не от фирмы IBM, a от ее соперника — фирмы Compaq. Процессор (рис. 6.3) появился в 1986 г.
Процессор 386DX (отметим, что 33 МГц — наиболее распространенная частота такого CPU), в отличие от 16-разрядного CPU 286, является 32-разрядным, т. е. он обеспечивает 32-разрядные операции ввода/вывода и 32-разрядную адресацию. К сожалению, стандартов для 32-разрядных периферийных устройств в настоящее время катастрофически не хватает.
Удвоение разрядности внутреннего адреса по сравнению с CPU 8086 обеспечило адресацию физической памяти до 4 Гбайт и виртуальной — до 64 Гбайт. Хотя CPU 386 также стартует в реальном режиме, чтобы сохранить совместимость со своими предшественниками, с помощью соответствующих программ операционной системы или расширений он может переключиться в виртуальный режим и таким образом эмулировать несколько CPU 8086. Для приложений Windows этот режим известен под названием Enhanced Mode.
Рис. 6.2. Оригинальный CPU i80386 Рис. 6.3. CPU AMD 8086 с частотой 40 МГц
Повышение мощности процессора оказывает, естественно, соответствующее влияние на остальную периферию материнской платы. Это выражается не только в том, что элементы памяти должны функционировать быстрее, чтобы обслужить увеличенный поток данных.
Впервые на материнской плате 386 находятся ранее не устанавливаемые элементы. Это, например, так называемая кэш-память. Кэш-память состоит из элементов памяти, доступ к которым, в отличие от доступа к элементам оперативной памяти, осуществляется значительно быстрее. В этой памяти хранятся данные, которые CPU с высокой вероятностью востребует в первую очередь. При фактическом требовании эта информация считывается не из медленной оперативной памяти, а из супербыстрой кэш-памяти. Располагать данные в кэш-память или нет, решает элемент на материнской плате, называемый кэш-контроллером. Информация о том, где можно найти данные в кэш-памяти, содержится в области, называемой TagRAM, которая будет описана ниже в этой главе.
Название "младшего брата" процессора 80386DX аналогично, только вместо DX указывается SX. Эти CPU, хотя и работают внутри с 32 битами, но, к сожалению, внешне — лишь с 16 битами. Кроме того, материнская плата 386SX имеет меньшую тактовую частоту, значение которой лежит в диапазоне 16—25 МГц. CPU 386SX практически всегда прочно припаян к материнской плате, так что едва ли возможно его заменить.'
Несмотря на то, что было много предложений от различных фирм на процессоры, совместимые с CPU 80286, только в 1991 г. фирма Intel впервые столкнулась с серьезной конкуренцией. Фирма AMD смогла предложить на рынке совместимый CPU 80386, который, кроме того, работал с тактовой частотой 40 МГц и при этом его производительность (а также цена) была такой же, как цена оригинального продукта Intel. Тем временем фирмы Chips & Technologies, Texas Instruments и Cyrix приобрели лицензии на производство этих процессоров.
Процессоры четвертого поколения
В отличии от CPU третьего поколения, в ядро CPU четвертого поколения интегрированы кэш-память и сопроцессор, реализована конвейеризация вычислений. Тактовая частота системной шины достигла 50 МГц.
Фирма Intel развивала и совершенствовала свой "боевой корабль" — процессор 80486, который долгое время являлся де-факто стандартом для высококлассных компьютеров. Типичная частота работы процессора 80486DX составляет 33 или 50 МГц.
Различия между процессорами 80386 и 80486 значительны. Преимущество в быстродействии CPU 80486 определяется, в первую очередь, факторами, приведенными ниже.
□ CPU 80486 имеет расширенный набор из 6 команд.
□ В микросхему интегрирована кэш-память объемом 8 Кбайт, управление которой осуществляется кэш-контроллером. Эта внутренняя кэш-память (Internal Cache) при совместной работе с описанной выше внешней кэшпамятью (External Cache) значительно повышает быстродействие системы.
□ Сопроцессор интегрирован прямо в CPU; как известно, сопроцессор выполняет вычисления с плавающей точкой (более подробно его применение описано далее в этой главе).
□ Реализована конвейеризация вычислений, т. е. каждая последующая команда начинает выполняться сразу же после прохождения первой ступени конвейера предыдущей командой.
Примечании
Под конвейером в данном случае понимается такой метод внутренней обработки команд, когда исполнение команды разбивается на несколько ступеней (Stages) и каждой ступени соответствует свой модуль в структуре CPU. По очередному тактовому импульсу каждая команда в драйвере продвигается на следующую студень, при этом выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.
Конвейерную обработку можно сравнить с работой грузчиков, стоящих в "цепочке" и передающих из рук в руки упаковки с продуктами. В этом случае процесс погрузки (разгрузки) существенно ускоряется по сравнению с тем, когда каждый грузчик бегает с отдельной упаковкой к месту их складирования.
Процессоры, имеющие несколько конвейеров, называются суперконвейерными, а имеющие несколько ступеней — суперскалярными.
Хотя геометрические размеры процессора 80486 с сопроцессором больше, чем аналогичного процессора 386, CPU 80486 имеет более высокую степень интеграции чипа. Несмотря на то, что CPU 486DX уже оборудован сопроцессором, его можно дополнить сопроцессором Weitek, который описан ниже в этой главе.
80486SX
Как и CPU 80386, процессор 80486 имеет "младшего брата", который, однако, взаимодействует с внешними устройствами, используя всю ширину шины данных. Он называется 80486SX и обычно работает с тактовой частотой от 20 до 33 МГц. Корпус CPU DX изготовлен полностью из керамики, a SX — из искусственного материала. Однако имеется и более существенное различие: в 486SX отсутствует интегрированный сопроцессор. Хорошо сконфигурированный компьютер с CPU 386DX и тактовой частотой 40 МГц всегда работает быстрее, чем PC с CPU 486SX и тактовой частотой 20 МГц.
80486DX/2
С целью увеличения производительности фирма Intel спустя короткое время выпустила следующую модель. Символ "/2" означает, что процессор работает с тактовой частотой, в 2 раза превышающей тактовую частоту системной шины. Так как оба процессора устанавливаются в гнездо (Socket 5), можно легко заменить 80486DX с частотой 25 МГц на 80486DX/2 с частотой 66 МГц. При такой замене нужно, в первую очередь, обратить внимание на то, чтобы процессор имел необходимую систему охлаждения. Корпус таких CPU может нагреваться до 90°С, поэтому рекомендуется установить на него охлаждающий элемент.
80486DX/4
Как вы догадались, с помощью CPU 80486DX/4 можно увеличить тактовую частоту в 4 раза. Процессоры, работающие с тактовой частотой 75 или 100 МГц, нуждаются в питании 3,45 В. CPU 80486DX/4 содержит 16 Кбайт внутренней кэш-памяти.
Последний процессор этого класса (CPU 80486DX4/100) корпорация Intel анонсировала в марте 1994 г. (рис. 6.4). В этом CPU нашли свое воплощение многие технологические новации Intel того времени. Было время, когда CPU 80486DX/100 даже конкурировал с CPU Pentium, но в 1995 г. корпорация Intel полностью прекратила производство всех CPU класса 80486, сосредоточившись на разработке и производстве CPU Pentium и Pentium Pro.
CPU пятого поколения поддерживают 64-разрядную системную шину с тактовой частотой 66 МГц. Реализованы технологии предсказания переходов и параллельной конвейерной обработки данных. Кэш-память первого уровня разделена на кэш-память данных и команд.
80586 (Pentium)
Первый CPU 80586 был анонсирован корпорацией Intel 22 марта 1993 г. Он разрабатывался под кодовым номером Р5 и должен был называться 80586, но фирма Intel снабдила его симпатичным собственным именем. CPU Pentium представляет собой 32-разрядный процессор, построенный по субмикронной технологии (рис. 6.5).
CPU Pentium первого поколения работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц. Они были рассчитаны на напряжение питания +5 В и работали на частоте материнской платы.
В марте 1994 г. корпорация Intel начала выпуск CPU Pentium второго поколения под кодовым названием Р54С. Первые модели этих CPU работали на частотах 90 и 100 МГц. В настоящее время существуют CPU Pentium, работающие на частотах 133, 150, 166 и 200 МГц.
Напряжение питания CPU Pentium второго поколения составляет 3,3 В и ниже. Эти процессоры выпускаются в 296-контактном корпусе (Staggered Pin Grid Array, SPGA), который не совместим с 273-контактным корпусом (Pin Grid Array, PGA) CPU первого поколения.
В отличие от процессоров Pentium первого поколения, процессоры второго поколения используют умножение тактовой частоты, и процессор работает быстрее, чем системная шина материнской платы (табл. 6.9).
Главное различие CPU Pentium третьего и второго поколения заключается в том, что ядро процессоров третьего поколения производится по технологии 0,25 мкм (которая определяется размером элемента ядра процессора), и работают эти процессоры при более низких напряжениях питания — 2,9 и 2,5 В. В табл. 6.10 приводятся размеры элемента ядра процессоров Pentium различных поколений.
Таблица 6.10. Минимальный размер элемента ядра CPU Pentium
Для установки CPU Pentium третьего поколения необходимо специальное гнездо, которое в отличие от SPGA имеет не 320, а 321 вывод (Socket 7). Кроме того, гнездо оборудовано модулем изменения напряжения (VRM).
Этот модуль легко заменяется, если возникает необходимость установить CPU Pentium, рассчитанный на другое напряжение.
Высокая производительность CPU Pentium достигается усовершенствованием старых и применением новых технологий.
□По сравнению с CPU 80486 в CPU Pentium получила дальнейшее развитие конвейеризация вычислений. Во-первых, увеличено до пяти количество ступеней конвейера; во-вторых, CPU Pentium имеют уже два конвейера в отличие от одноконвейерного CPU 80486. Таким образом, могут обрабатываться параллельно две команды.
□ Новым средством CPU Pentium является предсказание переходов. Для этого имеется специальный буфер адреса перехода (Branch Target Buffer, ВТВ), который хранит данные о последних 256 переходах.
□ В CPU Pentium интегрирована кэш-память объемом 16 Кбайт, в которой 8 Кбайт предназначено для команд и 8 Кбайт — для данных. Благодаря подобному разделению исключается пересечение команд и данных.
□ Процессор Pentium оборудован сопроцессором, дающим трех- и четырехкратный выигрыш по скорости выполнения операций по сравнению с сопроцессором CPU 486. Если для арифметической операции деления CPU 486 требуется примерно 73 такта, то Pentium выполняет аналогичную операцию за 38 тактов.
□ Адресная шина Pentium — 32-битная, а шина данных — 64-битная.
Примечание
Переход — это изменение последовательности выполнения команд в соответствии с алгоритмом программного обеспечения. Согласно статистике переходы встречаются в среднем через каждые шесть команд. Существуют безусловные переходы (типа GOTO), когда управление передается по новому указанному адресу, и условные (типа IF), когда изменяется ход выполнения программы в зависимости от результатов сравнения. Условные переходы снижают общую производительность CPU, т. к. в ожидании этого перехода конвейер работает вхолостую.
Благодаря CPU Pentium фирма Intel успешно конкурирует с другими фирмами из "параллельного компьютерного мира" (например, Alpha DEC). 25 января 1996 года компании Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix Corporation, IBM Microelectronics Division, SGS-Thomson анонсировали специально разработанную спецификацию для маркировки своих CPU пятого и шестого поколения. Она названа P-Rating v. 10 и отражает тот факт, что производительность эталонной системы по тесту Winstone 96 с этим CPU эквивалентна или даже выше, чем точно такого же PC с процессором Intel Pentium. Разработка подобной спецификации стала необходимостью, т. к. вследствие огромных различий в архитектуре CPU класса Pentium тактовая частота уже не может служить в качестве основного параметра, характеризующего производительность PC.
Тест Winstone 96 создан в исследовательской корпорации Ziff-Davis. Результат тестирования по Winstone 96 отражает время выполнения некоторого набора типичных операций в четырех категориях программного обеспечения, куда входят пакеты для управления базами данных, типовые процессоры, электронные таблицы и настольные издательские системы. Эти 13 программных пакетов наиболее часто используются в офисной работе (MS Office, PageMaker, CorelDRAW и др.). В качестве эталона для теста Winstone 96 выбран PC Dell Dimension с CPU i486SX-25 и RAM объемом 8 Мбайт, результат которого принимается за 10 ед.
Пусть, например, при проверке какого-либо CPU фирмы AMD по тесту Winstone 96 получен результат 56,8 ед. и производительность процессора оказалась близка к производительности Intel Pentium 100, тогда в соответствии с данной методикой этот процессор получит индекс PR 100.
AMD K5
Во втором квартале 1996 г. компания AMD анонсировала CPU K5-PR75 и K5-PR90, ориентированные на рынок недорогих систем для дома и малого офиса. Уже в этих первых моделях AMD была реализована более совершенная архитектура, чем в процессорах Pentium (табл. 6.11).
В июне 1996 г. на рынке появился CPU AMD K5-PR100, выполненный по 0,35 мкм технологии и содержащий 4,3 млн транзисторов, а несколько позднее - AMD K5-PR133 (рис. 6.6).
Конструктивно этот CPU выполнен в 256-штырьковом корпусе типа SPGA и так же. как и K5-PR75, K5-PR90, полностью совместим по выводам с CPU Pentium P54C. Однако перед установкой подобного процессора в гнездо материнской платы необходимо посмотреть документацию на плату и убедиться, что она поддерживает AMD K5.
Рис. 6.6. Процессор AMD K5
Стоимость CPU AMD K5 примерно на 30% ниже стоимости аналогичных по производительности CPU Intel Pentium. Определенным недостатком применения процессов AMD следует считать отсутствие их поддержки в материнских платах производства корпорации Intel.
Cyrix 6x86
Компания Cyrix впервые в истории PC создала CPU, превосходящий по интегральной производительности процессор такого же класса, что и выпускаемый корпорацией Intel, — это Cyrix 6x86 (рис. 6.7). Процессор Cyrix 6x86 одинаково стабильно работает как с 32-, так и с 16-разрядными приложениями. Особенностью Cyrix 6x86 является объединенная кэш-память первого уровня (L1) для команд и данных, что было характерно для CPU 80486.
Рис. 6.7. Процессор Cyrix 6x86
В табл. 6.12 приведены основные сравнительные характеристики CPU Cyrix 6x86 Intel Pentium и Intel Pentium Pro.
Таблица 6.12. Основные характеристики CPU Cyrix 6x86 и Pentium
Pentium MMX
Процессор Pentium MMX (P55C) впервые был анонсирован корпорацией Intel 8 января 1997 г. Технология ММХ представляет собой наиболее существенное улучшение архитектуры процессоров Intel с момента появления в 1986 г. CPU i80386.
Кристалл CPU Pentium ММХ (рис. 6.8) имеет площадь 141 мм2, т. е. на 50% большем кристалл классических процессоров Pentium, основные характеристики которых приведены в табл. 6.2.
Рис. 6.8. Процессор Pentium ММХ
Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных операций с целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие программы, которые используют графику, аудио, трехмерное изображение, мультипликацию и т. п. Сущность технологии ММХ состоит в появлении в CPU Pentium виртуального эквивалента 8 новых 64-разрядных регистров и 57 новых команд для решения задач мультимедиа. Восемь новых регистров можно назвать виртуальными потому, что физически эти регистры являются регистрами сопроцессора. Таким образом сохраняется совместимость с предыдущими поколениями программ.
В сопроцессорах Pentium имеется восемь универсальных регистров для операций над числами с плавающей точкой по 80 бит каждый. При описании числа с плавающей точкой используются 64 бита для мантиссы и 16 бит для экспоненты. Команды ММХ используют только 64-разрядную часть мантиссы каждого из регистров сопроцессора (рис. 6.9).
Регистры сопроцессора могут содержать 8 упакованных байтов, 4 упакованных 16-разрядных слова, два упакованных 32-разрядных двойных слова или же одно 64-разрядное слово. Таким образом, данные мультимедиа, разрядность которых кратна восьми, упаковываются в одно 64-разрядное слово, и над ним производится некое общее действие.
Эта методика называется, одиночной командой с множественными данными (Single Instruction Multiple Data, SIMD) и ориентирована на алгоритмы и типы данных, которые характерны для программного обеспечения мультимедиа Предположим, что программа управляет графикой в 8-разрядном представлении цвета (т.е. цвет каждого пиксела кодируется 8 битами), который чаще всего используется в играх. ММХ -команда может упаковать восемь пикселов в один операнд и обработать их все одновременно. Обычный CPU обрабатывает пикселы последовательно. Приложения, работающие со звуком, в основном используют 16-разрядные пакеты данных, таким образом, одна команда ММХ может обработать сразу четыре таких пакета. Следует отметить, что для реализации этого алгоритма требуется специальное программное обеспечение, ориентированное на CPU класса ММХ.
Рис. 6.9. Реализация регистров процессоров Pentium и Pentium ММХ
Наряду с поддержкой новых команд в CPU Pentium ММХ внесено много схемотехнических и архитектурных изменений, повышающих его производительность:
□ Вдвое увеличен размер кэш-памяти первого уровня (L1) — 16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для команд
□ Увеличена на один шаг длина конвейера (стало 6 ступеней) Я Блок предсказаний переходов заимствован у CPU Pentium Pro
□ Вдвое увеличено количество буферов записи данных (4 вместо 2)
□ Имеется возможность исполнения двух ММХ- команд одновременно
□ Улучшен механизм параллельной работы конвейеров
□ Процессор имеет встроенный тест (Self Test)
Благодаря этим изменениям удалось на 10—15% повысить скорость выполнения на PC даже обычных программ, которые не оптимизированы для Pentium MMX (например, Microsoft Office, Page Maker). К сожалению, в планы фирмы Microsoft не входит использование преимуществ технологии ММХ в ее "народном" пакете Microsoft Office.
Следует назвать две категории пользователей, которые получают заметную выгоду от применения систем ММХ. Это, в первую очередь, любители современных компьютерных игр и просмотра видеофильмов на CD-ROM, и вторая категория — профессионалы-дизайнеры, для которых важно быстродействие PC при создании сложных оригинал-макетов в полноцветной (24-битной) палитре. Кстати, на рынке уже имеются ММХ-программы редактирования графических изображений, такие как Adobe PhotoDeluxe, Adobe Photoshop, Adobe Premiere, CorelDraw. Среди популярных пакетов и программ, которые не будут оптимизированы для ММХ в ближайшем будущем, можно упомянуть Corel Word Perfect Svite, Microsoft Office Professional и QuarkXPress.
Для установки CPU Pentium ММХ необходима специальная материнская плата, имеющая два раздельных напряжения питания для CPU, модифицированное гнездо Socket 7, рассчитанное на дополнительный вывод из CPU Pentium ММХ, а также специально разработанную систему BIOS. На материнских платах должен быть установлен соответствующий Chipset. Например, корпорация Intel выпускает для CPU Pentium ММХ материнские платы с Chipset 430TX.
Конкурирующие с Intel компании AMD и Cyrix также выпустили ММХ-версии своих процессоров. Это Cyrix 6x86MX и AMD Кб (рис. 6.10). В CPU AMD Кб включена поддержка технологии ММХ. Сегодня CPU AMD Кб поставляется с тактовыми частотами 166, 200, 233 и 260 МГц.
Рис. 6.10. CPU AMD Кб
Согласно тестированию, проведенному в редакции журнала PC Magazine, производительность Кб 233 МГц настолько высока, что сравнима с производительностью Pentium Pro 200 МГц. CPU AMD Кб предназначен для установки на материнские платы, имеющие гнездо типа Socket 7. Таким образом, в одни и те же материнские платы можно устанавливать как CPU пятого поколения (Pentium, Pentium ММХ, AMD K5, Cyrix 6x86), так и CPU AMD Кб. Кроме того, для установки AMD Кб также необходимы два напряжения питания (3,2 и 2,9 В) и соответствующий элемент BIOS.
Архитектура CPU 6x68 MX значительно улучшена. Процессор 6x68 MX оборудован кэш-памятью первого уровня объемом 64 Кбайт. Он выполнен по суперскалярной технологии.
CPU шестого поколения поддерживают новую 64-разрядную системную шину Р6. Поддерживают работу многопроцессорных систем. В CPU интегрирована кэш-память второго уровня. Реализована технология исполнения по предположению и др. .
80686 (Pentium Pro)
В феврале 1995 г. фирма Intel провела презентацию первых рабочих образцов микропроцессора следующего поколения 80686 (Р6), который также имеет собственное имя — Pentium Pro (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Процессор Pentium Pro
Процессор Pentium Pro достигает высокого быстродействия за счет совершенствования старых, а также применения новых технологий:
□ В отличие от CPU Pentium процессор Pentium Pro имеет не пять, а четырнадцать ступеней при конвейерной обработке вычислений.
□ В отличие от CPU Pentium процессор Pentium Pro имеет не два, а три конвейера.
□ Одновременно применяются статический и динамический методы предсказания переходов. Согласно данным корпорации Intel эффективность предсказания ветвлений в CPU Pentium Pro достигает 90% (максимальная вероятность правильного предсказания для CPU Pentium не превышает 80%).
□ Предусмотрены два буфера предвыборки, в которых хранятся результаты, полученные после выполнения команд, следующих за условным переходом еще до того, как будет вычислен результат для ветвления алгоритма. Если какой-либо из переходов был предсказан неправильно, то буферы предвыборки очищаются. Подобный метод называется исполнением по предположению {Speculative execution).
□ Одной из важнейших характеристик CPU Pentium Pro является встроенная кэш-память второго уровня (L2). Встроенная в CPU и удаленная из материнской платы эта кэш-память может теперь работать на максимальной частоте CPU и не зависеть от более низкого быстродействия шины материнской платы (60 и 66 МГц).
□ Благодаря встроенной кэш-памяти второго уровня значительно улучшена работа многозадачных систем. CPU Pentium Pro поддерживает новую многозадачную структуру MPS 1.1. (Multi Processot Specification). В системе Pentium Pro может работать одновременно до четырех CPU.
Примечание
Статистические методы предсказания переходов упрощены: они предписывают всегда выполнять или не выполнять определенные виды переходов. При динамическом алгоритме предсказания переходов оценивается поведение команд перехода за предшествующий период.
CPU Pentium Pro предназначен не для обычных пользователей, а для тех, кто работает с мощными вычислительными средствами и прикладными программами высокого класса. Это означает, что CPU Pentium Pro не даст выигрыша в производительности при выполнении программ, содержащих 16-разрядный код. Быстродействие PC на базе CPU Pentium Pro на 40—60% выше, чем PC на базе CPU Pentium только при использовании 32-разрядных программ под управлением 32-разрядной операционной системы типа Windows NT, OS/2 или UNIX. Что касается Windows 95/98, то новый процессор выполняет 32-разрядные прикладные программы в этих операционных системах лишь на 20—30% быстрее, чем CPU Pentium.
Pentium II
Процессор Pentium II сочетает архитектуру CPU Pentium Pro с технологией
ММХ.
В отличие от Pentium Pro в CPU Pentium II кэш-память второго уровня (L2) не интегрирована в ядро процессора, а сконструирована на 64 разрядной шине, жестко связанной с ядром, работающей на половинной тактовой частоте ядра CPU. В этой шине предусмотрена поддержка кода исправления ошибок (ЕСС).
В отличие от всех других процессоров, CPU Pentium II конструктивно располагается в специальном картридже, называемом S.E.C.C. Своим названием картридж обязан единственному контакту {Single Edge Contact Catridge, S.E.C.C.),
Рис. 6.12. Процессор Pentium II в картридже
с помощью которого он устанавливается в специальный разъем материнской платы. Этот разъем подобен слотам для установки модулей памяти. Картридж представляет собой прямоугольный футляр, внутри которого находится процессорная плата. На процессорной плате смонтированы ядро CPU и кэш-память второго уровня (рис. 6.12, 6.13).
Рис. 6.13. Процессор Pentium II без картриджа
Для охлаждения процессорной платы в картридже имеется специальная теплоотводная пластина, к которой может быть присоединен радиатор или вентилятор. Предельно допустимая температура теплоотводной пластины составляет +70—75°С.
Значительное повышение производительности PC с CPU Pentium II обеспечивается за счет следующих факторов:
□ Использование двойной системной шины DIB {Dual Independent Bus). Сущность DIB состоит в том, что CPU связан с кэш-памятью второго уровня и RAM двумя различными шинами. Это позволяет увеличить тактовую частоту системной шины материнской платы с 66 до 100 МГц.
□Увеличение тактовой частоты работы процессора. CPU Pentium II выпускаются с тактовой частотой от 233 до 450 МГц.
Сравнительные характеристики процессоров семейства Pentium представлены в табл. 6.13.
Таблица 6.13. Некоторые характеристики процессоров семейства Pentium
Корпорация Intel усовершенствовала ядро процессора Pentium II, применив более совершенные технологии.
Klamath
Когда в 1997 г. появился первый процессор Pentium II, он имел ядро под кодовым названием Klamath. Это ядро явилось дальнейшим развитием ядра процессора Pentium Pro и было изготовлено по технологии 0,35 мкм. Новый процессор содержит около 7,5 млн транзисторов на площади 203 мм2.
Ядро Klamath размещалось в одном картридже с 512 Кбайт внешней кэш-памяти (L2). Процессор работал на тактовой частоте 233, 266 и 300 МГц.
Deschutes
Спустя полгода появилось ядро Deschutes, которое поначалу ничем не отличалось от Klamath за исключением размеров, т. к. было создано по технологии 0,25 мкм. Позднее архитектура ядра несколько изменилась — появились две новые команды, значительно снижающие временные затраты и освобождающие регистры сопроцессора для выполнения команд ММХ. CPU Pentium II (Deschutes) работает с тактовой частотой 333, 350, 400 и 450 МГц.
В картридже этого процессора также установлено 512 Кбайт внешней кэш-памяти (L2), работающей на половинной тактовой частоте ядра CPU.
CPU с тактовой частотой 333 МГц предназначены для работы с системной шиной с тактовой частотой 66 МГц, a CPU с тактовой частотой 350 МГц и более — 100 МГц.
Pentium III
Процессор Pentium III пришел на смену Pentium II в январе 1999 г. Основное отличие данного процессора от Pentium II состоит в том, что он поддерживает набор из 70 новых команд (SIMD-инструкций) групповой обработки данных с плавающей точкой и дополнительные команды групповой обработки целочисленных данных. Благодаря этому набору команд, называемому SSE (Streaming SIMD Extensiuori), KNI (Katmai New Instruction) или MMX2, расширяются возможности обработки изображений, потоков аудио-и видеоданных, распознавание речи.
CPU Pentium III выпускаются в корпусах двух типов S.S.E.C. 2 и PPGA (называемый также FC-PGA — Flip Chip-PGA).
Картридж S.E.C.C. 2, как и S.E.C.C., устанавливается в разъем Slot 1. В отличие от S.E.C.C. он не имеет термопластины — внешние "холодильники" прижимаются непосредственно к корпусу микросхем ядра и кэш-памяти, что повышает эффективность охлаждения.
Первоначально предполагалось, что CPU Pentium III, выпускаемые в корпусе FC-PGA, будут устанавливаться дополнительным рядом ножек в новый разъем Socket 418, отличающийся от Socket 370, который применяется для установки CPU Celeron. Однако в дальнейшем Intel отказалась от этой идеи и было решено использовать для CPU Pentium III разъем Socket 370.
Примечание
CPU Pentium II! в корпусе FC-PGA не поддерживают системную шину с тактовой частотой 133 МГц. Эти CPU нельзя использовать в двухпроцессорной системе (SMT).
Katmai
Первые CPU имели ядро под кодовым названием Katmai, созданное по 0,25 мкм технологии. CPU Pentium III Katmai имеют тактовую частоту 533, 600, 650, 667 и 733 МГц.
В картридже этого процессора установлено 512 Кбайт кэш-памяти (L2), работающей на половинной тактовой частоте ядра CPU.
Coppermine
В сентябре 1999 г. появился CPU Pentium III с ядром Coppermine (сокращенно — CuMine). Оно создано по "медной" технологии 0,18 мкм.
В отличие от CPU Pentium III Katmai в ядро Coppermine интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти (L2) типа Advanced Transfer Cache, работающей на тактовой частоте CPU. В соответствии с технологией Advanced System Buffering в CPU оптимизирован размер буферов системной шины, что позволяет эффективно использовать системную шину при тактовой частоте 100 и 133 МГц.
В табл. 6.14 представлены основные характеристики Pentium III, которые следует учитывать при приобретении материнской платы. Обратите внимание, что некоторые CPU Pentium III имеют одинаковую частоту, но различные характеристики. Символом "Е" обозначены CPU, поддерживающие кэш-память типа Advanced Transfer Cache и технологию Advanced System Buffering, а символом "В" — поддерживающие системную шину 133 МГц.
Таблица 6.14. Параметры CPU Pentium III
Celeron
Учитывая высокую стоимость процессоров Pentium II, корпорация Intel в апреле 1998 г. анонсировала первый процессор семейства Celeron, который по замыслу создателей должен ускорить процесс перехода пользователей на новое поколение процессоров. Процессоры семейства Celeron представляют собой удешевленную версию процессора Pentium II (рис. 6.14).
Все процессоры семейства Celeron поддерживают технологию ММХ.
Рис. 6.14. Процессор Celeron: (а) — без радиатора
Рис. 6.14. Процессор Celeron: (б) — с радиатором
Covington
Первые процессоры Celeron использовали ядро Covington с элементами размером 0,25 мкм, содержащее 7,5 млн транзисторов. Тактовая частота работы процессора составляла 266 и 300 МГц, а системной шины — 66 МГц. В ядро была встроена кэш-память первого уровня объемом 32 Кбайт.
Кэш-память второго уровня для данного типа CPU Celeron отсутствует. CPU. Поскольку Celeron ориентирован на пользователей обычных домашних компьютеров, то отсутствие кэш-памяти второго уровня не вызывает заметного замедления при работе с несложными офисными приложениями, в Internet и т. д.
Набор команд SSE не поддерживается.
Процессор устанавливается в гнездо Slot 1. Ему требуется напряжение питания не 2,8 В, как процессору Pentium II, а 2 В. Установленная на материнской плате система BIOS должна "знать" об установке процессора Celeron, поскольку для его работы необходима загрузка специального микрокода. При загрузке BIOS на экране монитора должно появиться соответствующее сообщение об установленном процессоре Celeron, в противном случае система зависнет на этапе загрузки или вообще не будет загружаться. Специально для процессора Celeron корпорация Intel разработала Chipset 440EX и ZX.
Mendocino
Второй процессор семейства Celeron получил "в подарок" от Intel кэшпамять второго уровня (L2) размером 128 Кбайт. Причем эта кэш-память установлена не на плате процессора, а непосредственно в ядре и работает на тактовой частоте процессора. Ядро выполнено по 0,25 мкм технологии, а наличие встроенной кэш-памяти обусловило увеличение количества транзисторов до 19 млн. Новое ядро получило название Mendocino.
Набор команд SSE не поддерживается.
Тактовая частота этого процессора составляет 300, 333, 366, 400, 433, 466, 500 и 533 МГц, а тактовая частота системной шины — 66 МГц.
Для процессора, имеющего ядро Mendocino (называемого также Celeron 'Л' или Celeron 300'А), разработан разъем на 370 контактов — Celeron Socket (или Socket 370). Эти процессоры выпускают как в картриджах S.E.C.C. (для установки в Slot 1), так и в корпусе PPGA (для установки в гнездо Celeron Socket.
Coppermine 128K
Процессор Celeron с ядром Coppermine, выполненным по 0,18 мкм технологии, является дальнейшим развитием CPU семейства Celeron. Он выпускается в корпусе FC-PGA и содержит 128 Кбайт интегрированной кэшпамяти. В отличие от своих "младших братьев" Celeron Coppermine 128K, он поддерживает тактовую частоту системной шины 66 МГц. Кроме того, он поддерживает SIMD-инструкции SSE.
Тактовая частота Celeron Coppermine составляет 533, 566 и 600 МГц.
Хеоn
Процессоры семейства Хеоn разработаны специально для использования в серверах и многопроцессорных системах. Эти процессоры повышают производительность системы только при одновременном выполнении нескольких сложных задач. Для работы на обычных однопользовательских рабочих станциях процессор Хеоn не нужен, т. к. существенного выигрыша в производительности системы не наблюдается, а его цена значительно выше цены Pentium II.
Deschutes
Первый процессор Pentium II Xeon был анонсирован Intel 29 июня 1998 г. Он использует ядро Deschutes. Основное отличие этого процессора от Pentium II с ядром Deschutes заключается в том, что он взаимодействует на тактовой частоте работы ядра с кэш-памятью второго уровня, расположенной на плате
процессора. Объем кэш-памяти (L2) может составлять 512 Кбайт, 1 и 2 Мбайт. Кэш-память изготовлена на более быстрых элементах CSRAM.
Тактовая частота, на которой работает процессор Pentium II Xeon, составляет 400 и 450 МГц, а тактовая частота системной шины — 100 МГц
Рис. 6.15. Slot 1 и Slot 2
Конструктивно процессоры Xeon выполняются для установки в Slot 1 и Slot 2 (рис. 6.15). Slot 2 разработан для многопроцессорных систем. Как видно из рисунка, размеры картриджа под Slot 2 значительно больше.
Tanner
В следующем процессоре семейства Xeon используется ядро Tanner. Оно выполнено по 0,25 мкм технологии, поддерживает функции SSE и работает на тактовой частоте 450 МГц и более.
Cascades
В январе 1999 г. Intel анонсировала новый CPU семейства Xeon с ядром Cascades, выполненным по 0,18 мкм технологии. Этот CPU получил собственное название Pentium III Xeon.
В ядро Cascades интегрирована кэш-память (L2) объемом 256 Кбайт. Внутренняя тактовая частота процессора составляет более 600 МГц, тактовая частота системной шины — 133 МГц.
Основные характеристики процессоров класса Pentium II приведены в табл. 6.15.
Таблица 6.15. Характеристики процессоров класса Pentium II
AMD K6-2
Процессор AMD K6-2 (K6-3D, Chompers) анонсирован фирмой AMD в 1998 г. В отличие от своего предшественника AMD Кб, в ядро CPU K6-2 добавлен новый модуль с конвейерной структурой для обработки 24 новых ЗD-инструкций для ускорения обработки трехмерной графики, аудио- и видеоданных. Этот модуль получил название 3DNow!.
В отличие от технологии ММХ, основанной на работе с целыми числами, в набор инструкций 3DNow! включены команды, работающие с вещественными числами, что важно при расчете трехмерных сцен. Теоретически 3DNow! должен заменить сопроцессор при расчете трехмерных объектов. Модуль может выполнять одновременно до четырех SIMD-инструкций, что заметно увеличивает производительность процессора.
Теоретически производительность К6-2 при расчете трехмерных объектов превышает возможности современных Pentium II, однако для этого необходимо, чтобы приложения использовали те же самые 24 инструкции с учетом конвейерной структуры модуля 3DNow!.
По заявлениям фирм-изготовителей многие популярные видеокарты будут иметь поддержку 3DNow!. Появились также компьютерные игры, ориентированные на работу с этим модулем. Однако из-за трудоемкости оптимизации приложений под модуль 3DNow! этот процесс продвигается медленно, а для ММХ2 уже разработан специальный компилятор, который призван помочь разработчикам программного обеспечения.
Примечание
Инструкции модуля 3DNow! не совместимы с набором инструкций SSE процессоров корпорации Intel.
Процессор К6-2 устанавливается в разъем Socket 7 и работает на тактовой частоте 266—400 МГц (рис. 6.16).
Разъем Super 7, разработанный при активном участии компании AMD, является развитием недорогой и проверенной платформы Socket 7. В отличие от Socket 7 платформа Super 7 поддерживает:
□ Тактовые частоты системной шины 95 и 100 МГц. О AGP (Accelerated Graphics Port).
□ РС100 SDRAM, Ultra DMA, ACPI, и требования спецификации PC 98.
□ Кэш-память второго уровня (L2), работающую на частоте процессора, и поддержку внешнего, дополнительного кэша третьего уровня (L3).
Процессоры К6-2 работают на тактовой частоте от 266 до 450 МГц, при этом, тактовая частота системной шины составляет 66, 95 или 100 МГц (табл. 6.16). Рабочее напряжение ядра — 2,2 В.
Таблица 6.16. Тактовая частота CPU AMD K6-2
Рис. 6.16. Процессор AMD K6-2 Рис. 6.17. Процессор AMD K6-3
AMDK6-3
В отличие от процессора AMD K6-2, в ядро процессора AMD K6-3 (K6+3D) интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора. Объем кэш-памяти первого уровня (как и в К6-2) составляет 64 Кбайт. Кроме того, на материнской плате располагается кэш-память третьего уровня (L3) объемом от 512 до 2048 Кбайт. CPU поддерживает тактовую частоту системной шины 100 МГц и устанавливается в разъем Super 7. Основные характеристики CPU приведены в табл. 6.17.
Таблица 6.17. Характеристики CPU AMD K6-2 и К6-3
VIA Cyrix III
Процессор VIA Cyrix III разработан компанией VIA, которая приобрела компанию Cyrix. CPU устанавливается в разъем Socket 370. Кэш-память первого уровня составляет 64 Кбайт (объединенный), а второго уровня — 256 Кбайт. Кэш-память интегрирована в ядро. Тактовая частота системной шины — 66/100/133 МГц. CPU поддерживает технологии ММХ и 3DNow!. По своим характеристикам CPU VIA Cyrix III не уступает CPU Intel (табл. 6.18).
Данный CPU известен также под именем Joshua (ранее он назывался Jedi и -Gobi).
Таблица 6.18. Характеристики CPU VIA Cyrix III
Процессоры седьмого поколения поддерживают новую системную шину с тактовой частотой до 400 МГц. Тактовая частота CPU превысила 1 ГГц.
AMD K-7
23 июня 1999 г. корпорация AMD анонсировала свой первый процессор седьмого поколения К-7. Реально CPU K-7 с тактовой частотой 500, 550 и 600 МГц появились в августе 1999 г., а 6 марта 2000 г. был объявлен CPU с тактовой частотой 1000 МГц. Процессор спроектирован так, чтобы он мог конкурировать с CPU Pentium III.
Athlon
Первые CPU K-7 получили название Athlon.
Все CPU Athlon первого поколения были основаны на 0,22 мкм технологии (площадь ядра 184 мм2). Они имели тактовые частоты 500, 550, 600, 650 и 700 МГц. CPU Athlon второго поколения (рис. 6.18) создаются по 0,18 мкм технологии (площадь ядра 100 мм2) и работают на тактовых частотах 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 и 1000 МГц.
Рис. 6.18. CPU Athlon: (a) — вид спереди, (б) — вид сзади, (в) — CPU в картридже
Для CPU K-7 фирма AMD лицензировала шину Alpha EV6 от Digital, использующую процессорный интерфейс Slot А. Шина Alpha EV6 обладает рядом преимуществ перед Р6 GTL+. Например, тактовая частота шины составляет 200 МГц и может быть увеличена до 400 МГц. Внешне Slot A похож на Slot 1, но они несовместимы.
Все CPU Athlon используют 128 Кбайт (64+64) кэш-памяти первого уровня (L1), интегрированной в ядро. Объем кэш-памяти второго уровня (L2), размещаемой на плате CPU, может варьироваться от 512 Кбайт до 8 Мбайт. Тактовая частота функционирования кэш-памяти L2 зависит от частоты CPU (табл. 6.19).
Таблица 6.19. Тактовая частота кэш-памяти CPU Athlont
CPU имеет три блока, выполняющих операции с целыми числами, и три блока, выполняющих операции с числами с плавающей точкой.
С выходом Athlon набор команд 3DNow! был расширен (Enhanced 3DNow!), чтобы соответствовать SSE корпорации Intel. В Athlon были введены 19 новых инструкций SIMD, а их общее число доведено до 40. Новые инструкции помогают при обработке целых чисел и предназначены для повышения производительности кэша. Также были добавлены 5 новых DSP-расширений, для ускорения процесса декодирования файлов, сжатых по стандарту МРЗ, или по алгоритмам, применяющимся в коммуникациях, подобных ADSL.
Характеристики CPU Athlon приведены в табл. 20.
Таблица 6.20. Характеристики CPU Athlon
CPU Athlon 550 МГц с кэшем, работающим на половине частоты, на 10% быстрее в целочисленных операциях по SPECint процессора Pentium III Xeon, кэш-память L2 которого работает на полной частоте процессора. Согласно тесту SPECfp (моделирующему нагруженные игры и мультимедиа), Athlon получает преимущество в 35—40% над Pentium III Xeon.
Специально для своего CPU корпорация AMD разработала Chipset AMD-750, поддерживающий шину EV6 и Slot А. Этот Chipset поддерживает память РС100 SDRAM, PC133 SDRAM. Ожидается поддержка для DDR и DDR-2 в будущих Chipset AMD (AMD-760/770) Via и ALL Поддержка RD DRAM в настоящее время не ожидается.
Thunderbird
CPU Athlon с интегрированным на ядре 256 или 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня получил название Thunderbird. Первоначально этот CPU выпускался в форм-факторе Slot А. Затем был разработан специальный разъем Socket А. Ядро Thunderbird изготовлено по 0,18 мкм технологии. Тактовая частота CPU - 1,1 ГГц.
Duron
CPU Duron (кодовое название Spitfire) — это дешевая версия Thunderbird с урезанной до 64 Кбайт кэш-памятью второго уровня (рис. 6.19) и устанавливаемый в разъем Socket А. Ядро Duron изготовлено по 0,18 мкм технологии. Тактовая частота Duron — 700, 650 и 600 МГц. CPU ориентирован на рынок недорогих систем; его цена в 1,5 раза ниже цены Athlon с соответствующей тактовой частотой.
Pentium IV (Willamate)
CPU Willamate (называемый также Pentium IV) стал первой серьезной модернизацией архитектуры Р6 с момента появления в 1995 г. CPU Pentium Pro.
CPU Willamate (рис. 6.20) использует новую системную шину Quard Pumped с тактовой частотой 100 МГц, передающей по 4 пакета данных за один такт.
Рис. 6.19. Внешний вид CPU Duron Рис. 6.20. Внешний вид CPU Willamate
Пропускная способность шины составляет 3,2 Гбайт/с, т. е. почти в три раза выше, чем шины GTL+ с тактовой частотой 133 МГц.
Объем кэш-памяти первого уровня составляет 256 Кбайт, кэш-памяти второго уровня — от 512 до 1024 Кбайт. Тактовая частота составляет 1500 ГГц.
CPU устанавливается в разъем Socket-462.
CPU Willamate является последним 32-разрядным CPU корпорации Intel, изготовленный по архитектуре IA-32.
В дальнейшем Intel переходит на архитектуру IA64 (Ilanium (Merced), McKinly, Madison, Deefield).
При выборе того или иного типа процессора прежде всего следует учитывать тип задач, которые вы собираетесь решать с помощью PC (набирать текст, играть, разрабатывать программы и т. д.). Для решения различных задач требуется соответствующая конфигурация PC и CPU определенного типа.
Нет особой необходимости "стрелять из пушки по воробьям": например, покупать PC с "крутым" Pentium IV, чтобы играть в DOOM или готовить документ в Word (это лишняя трата денег). При выборе CPU следует помнить закон, который еще в 1965 г. открыл Гордон Мур (один из основателей фирмы Intel): "Мощность CPU удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости". Этот закон (рис. 6.21) справедлив до сих пор (во многом благодаря усилиям корпорации Intel).
В последнее время широкое распространение получили многопроцессорные системы, т. е. такие, в которых установлено несколько процессоров.
Используя, например, два процессора, вы теоретически в два раза увеличиваете производительность системы, однако на практике это не так. Одновременное использование нескольких процессоров эффективно лишь при параллельном решении сложных задач.
Для создания многопроцессорной системы необходимо выполнение следующих условий:
□ Материнская плата должна поддерживать несколько процессоров, т. е. иметь дополнительные разъемы для установки процессоров и соответствующий Chipset (например, 440ВХ, 450GX).
□ Процессор должен поддерживать работу в многопроцессорной системе (Pentium Pro, Pentium II Xeon и др.).
□ Операционная система должна поддерживать работу с несколькими процессорами (Windows NT, UNIX).
Кроме того, многопроцессорная система эффективна, если используются соответствующие программные приложения.
В процессе одновременной работы нескольких процессоров операционная система распределяет различные задачи между процессорами. Существуют два режима работы многопроцессорных систем — асимметричный и симметричный.
В режиме асимметричной обработки один процессор выполняет только задачи операционной системы, а другой — прикладные программы.
В режиме симметричной обработки (Symmetric Multi-Processing, SMP) задачи операционной системы и пользовательские приложения могут выполняться любым процессором в зависимости от его загрузки. Этот режим является более гибким и поэтому более производительным.
Процессоры и Chipset, применяемые в многопроцессорных системах, должны поддерживать соответствующий SMP-протокол обмена данными, называемый APIC. В настоящее время CPU Pentium и Pentium II поддерживают такой режим только для двух процессоров, Intel Pentium Pro — для четырех.
Поскольку APIC запатентован корпорацией Intel, фирмы AMD и Cyrix не могут выпускать свои процессоры с поддержкой SMP для установки их на материнские платы с Chipset Intel. Фирмы AMD и Cyrix разработали собственный SMP-стандарт, названный OpenPIC. Однако в настоящее время лишь немногие производители материнских плат поддержали этот стандарт.
Именно поэтому в настоящее время корпорация Intel является мировым лидером в производстве процессоров и Chipset для многопроцессорных систем.
Помимо обмена информацией с другими микросхемами на плате, главное предназначение CPU — считать, считать и считать. Если вы вспомните свое школьное время, то констатируете факт, что счет счету рознь. Основные арифметические операции, такие как сложение и вычитание, умножение и деление, приносят меньше забот, чем возведение в степень, вычисление тангенсов или операции с плавающей точкой.
Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой имеется специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от CPU он не управляет системой, а ждет команду CPU на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel арифметический сопроцессор может сократить на 80% и более (по сравнению с CPU) время выполнения таких арифметических операций, как умножение и возведение в степень. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.
Сопроцессор — только обиходное название для этого чипа. Правильно он называется математический сопроцессор (Numeric Processing Unit — NPU, или Floating Point Processing Unit, FPU).
Сопроцессор стал впервые применяться с CPU третьего поколения. Тогда он располагался на материнской плате. Начиная с CPU 486DX, сопроцессор интегрирован прямо в CPU.