Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы INTEL, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В арифметико-логическое устройство производится арифметическая и логическая обработка данных. Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Структуры различных типов микропроцессора могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру микропроцессора определяет разрядность слова и внутренней шины, данных микропроцессора. Первые микропроцессоры основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали микропроцессоры с 8-разрядной архитектурой, а современные микропроцессоры основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.

1.1 Основные характеристики микропроцессоров

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью), частотой системной шины и тактовой частотой. Наиболее распространены модели INTEL-8088, 80286, 80386sx, 80386, 80486 и PENTIUM, они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в МГц. Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение и умножение) за разное число тактов. Чем выше модель, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций. Поэтому, например, микропроцессор INTEL-80386 работает раза в 2 быстрее INTEL-80286 с такой же тактовой частотой.

У специалистов существует своя система измерения скорости процессора. Причем таких скоростей (измеряемых в миллионах операций в секунду -- MIPS) может быть несколько -- скорость работы с трехмерной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

Модели микропроцессоров: Исходные варианты компьютеров IBM PC и модель IBM PC XT используют INTEL-8088. В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц. Модель IBM PC XT использовали более мощный INTEL-80286, и ее производительность в 4-5 раз, больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на микропроцессоре с тактовой частотой 6 МГц. В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном микропроцессоре INTEL-80386. Этот микропроцессор (называемый также 80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Диапазон тактовой частоты 80386DX- от 25 до 40 МГц. В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен новый микропроцессор PENTIUM (ранее анонсировавшийся под названием 80586). Этот микропроцессор еще более мощен, особенно при вычислениях над вещественными числами. Все эти процессоры отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом... словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем -- к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора. В частности были добавлены инструкции для работ с мультимедиа MMX.

Если взять за точку отсчета изделия «королевы» процессорного рынка, корпорации Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

В каждом поколении имеются модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в семействе Pentium числятся три модификации -- старшая, Xeon, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средняя модификация Pentium, трудится на производительных настольных компьютерах, ну и младшая Celeron верно служит простому люду на домашних компьютерах. Схожая ситуация -- и в конкурирующем с Intel семействе процессоров AMD, Для дорогих настольных компьютеров и графических станций фирма предлагает процессоры Athlon, а для недорогих домашних ПК предназначен другой процессор -- Duron.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800... Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее -- на 10--15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации. Например, в процессорах Intel начиная с Pentium появилась новая система команд для обработки мультимедиа-информации ММХ, a Pentium III дополнительно оснащен новой системой инструкций SSL.

Тип ядра и технология производства. В пределах одного поколения, даже одной модификации процессоры могут отличаться технологией производства и типом «ядра». Так 1999 году, след за переходом на новую, 0,13-микроннную технологию, произошла смена «ядер» у процессоров Intel. Торговые марки остались прежние (Pentium III и Celeron), однако на смену «ядрам» под кодовым названием Katmai (Pentium III)и Mendocino (Celeron). Пришло новое, под названием Coppernine. Смена «ядра», конечно же, привела к серьезным изменениям в производительности процессоров, хотя их рабочая частота осталась прежней. Именно поэтому продавцы обычно указывают в прайс-листах, наряду с поколением, модификацией и частотой процессора, тип использованного в нем «ядра». Например

Pentium III (Coppernine) - 667,

Athlon (Thtumderbird) - 800.

Очередную смену «ядра» оба производителя совершили в начале 2001 года. Так, базовым «ядром» для процессоров AMD в 2001 году стали Palomino ( Athlon) и Morgan (Duron) (0,13-микронная технология).

Форм-фактор. То есть - тип исполнения процессора, его внешности и способа подключения к материнской плате.

Как правило, все элементы процессора расположены на одном и том же кристалле кремния - и лишь в редких случаях кэш-память второго уровня выносится за пределы процессора. Обычно процессоры первого типа - «все в одном» - квадратной формы (тип разъема «Сокет»). Эдакий прямоугольный корпус с торчащими из него ножками-контактами. Процессоры второго типа куду более громоздки - обе микросхемы размещены на небольшой плате и надежно упрятаны в металлический кожух. Обычно в формате «Слот» выпускаются первые, пробные модели каждого нового поколения процессора - позднее, по мере обкатки технологии производства, их производители переходят на более компактный и дешевый формат «Сокет».

Процессоры для разъема SuperSocket 7 - прцессоры фирм AMD (К6, К6-2), Cyriх (М2), Centaur Technology (IDT).

Процессоры для разъема Slot 1 - процессоры фирмы Intel: Pentium II (233-450 МГц), Pentium III и Celeron (300-450 МГц).

Процессоры для разъема Slot A - процессоры фирмы AMD ( Athlon).

Процессоры для разъема Socket - 370 (PGA) - процессоры фирмы Intel: Celeron (от 450 Мгц) и Pentium III (от 450 МГц).

Новые модели процессоров.

Процессоры для разъема Socket A - процессоры фирмы AMD (Athlon Thunderbird, Duron).

Процессоры для разъема FC-PGA - процессоры фирмы Intel: Pentium III Coppermine ( от 500МГц), Celeron Coppermine (от 533 МГц).

Процессоры для разъема Socket - 423 - Pentium 4.

Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах системной шины 100 и 133 МГц. А частота для старых моделей Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц. На такой частоте медленнее работает не только процессор, но и вся система. Правда, в конце 2000 года на рынке появились новые модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium 4 к этому времени перешел на новую частоту системной шины -- 133 МГц, так что отставание дешевых процессоров от дорогих сохранилось.

Схожая ситуация наблюдается и у процессоров AMD -- правда, последние за счет умения. Вот так и объясняется парадокс -- частоты процессоров одинаковы, ну а скорости работы компьютеров отличаются на десятки процентов. Правда, можно принудительно заставить процессор работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. Это издевательство называется в компьютерных кругах «разгоном» и, в случае удачи, резко повышает производительность компьютера. Так, поднятие частоты системной шины для процессора Celeron-600 (коэффициент умножения 9) с 66 до 100 МГц не только увеличивает скорость обмена данными по системной шине, на и повышает скорость работы самого процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не все процессоры выдерживают «разгон» -- большинство в лучшем случае откажется работать, ну а в худшем -- выйдет из строя...

1.2 Процессор и его составляющие

Но время неумолимо шло и сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне.

Перейдём к самому процессору и его компоненты:

1. Процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -- транзисторов.

2. Сопроцессор -- специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.

Самая быстрая -- кэш-память первого уровня (32 Кбайт у процессоров Intel и до 64 Кбайт -- в последних моделях AMD). Существует еще чуть менее быстрая, но зато -- более объемная кэш-память второго уровня -- и именно ее объемом различаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью -- мощный Xeon (2 Мбайт). У Pentium размер кэша второго уровня почти в 10 раз меньше -- 256 Кбайт, ну a Celeron вынужден обходиться всего 128 Кбайт! А значит, при работе с программами, требовательными к объему кэш-памяти, «домашний» процессор будет работать чуть медленнее. Зато и стоимость его в два-три раза ниже: кэш-память -- самый дорогой элемент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла возрастает в геометрической прогрессии!

Трудно поверить, что все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже через год на смену ему должна прийти медь). Их размер поражает воображение -- десятые доли микрона! Например, в 1999 году большая часть процессоров производилась по 0,25-микронной технологии, в 2000 году ей на смену пришла 0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается, что в течение ближайших двух лет плотность расположения элементов на кристалле увеличится еще в 2 раза.

В 1981 г. появились микропроцессоры 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру микропроцессоров 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. Кроме того, была несколько расширена система команд. Однако широкого распространения эти микропроцессоры, не получили.

Процессор 80286.

Следующим крупным шагом в разработке новых идей стал микропроцессор 80286, появившийся в 1982 году. При разработке были учтены достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров. Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях PS/2.

Процессор 80386.

При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось решить две основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса (Real Adress Mode) или R-режим.

В Р - режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти, ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта (в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.

Процессор 80486.

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд. Восьмикилобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 Мегагерц гарантируют высокую производительность системы даже с недорогими дисками (DRAM).

Процессор i486SX

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно - реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт

Процессор Pentium

В то время, когда Винод Дэм делал первые наброски, начав в июне 1989 года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот продукт будет одним из главных достижений фирмы Intel. Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология, позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог работать в реальной системе. В дополнение ко всему, в процессе разработки и тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что немало способствовало общему успеху проекта. В конце 1991 года, когда была завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и прохождение сигналов по подложке с целью оптимизации топологии и повышения эффективности работы. Проектирование в основном было завершено в феврале 1992 года. Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров, в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992 года было принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium процессора. Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые позволяют выполнять более, чем одну команду за один период тактовой частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой микропроцессор.

Cуперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486 способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы Intel требовали множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования программного кода и данных.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных видеоприложений, как CAD и 3D-графика.

2. Практическая часть