3. Основные характеристики процессоров

Процессор, или центральный процессор, представляет собой «сердце» материнской платы, поскольку находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока ПК включен.

Признанный лидер в производстве процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров — компания Intel, основанная в июне 1968 г. Основным конкурентом Intel является корпорация AMD (Advanced Micro Devices), которая в последнее время заметно потеснила Intel на рынке CPU, предназначенных для недорогих ПК. Выпускают CPU и другие фирмы: Cyrix, Centaur, IDT, Rise.

Процессоры подразделяются по типам. Обозначение CPU для ПК 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 i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel, работающий на тактовой частоте 50 МГц. Микросхемы фирмы AMD маркируются префиксом AMD, а процессоры Cyrix — СХ. При запуске ПК эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора.

На любом процессорном кристалле находятся:

1.    процессор, главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными, состоит 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;

3.    кэш-память первого уровня — сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений;

4.    кэш-память второго уровня.

5.    Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 6 см². Только под микроскопом можно разглядеть элементы, из которых состоит микропроцессор.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

•       степень интеграции;

•       разрядность обрабатываемых данных;

•       тактовая частота;

•       память, к которой может адресоваться CPU;

•       объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, формфактору и др.

Исходя из технических характеристик и тенденций развития и совершенствования, выделяют семь поколений процессоров.

Степень интеграции микросхемы CPU (чипа) показывает, какое число транзисторов в ней умещается. Если в чипе процессоров первого поколения (8086/8088) помещалось 0,029 млн транзисторов, то в современных процессорах — свыше 28 млн. Специалисты предсказывают, что к 2011 г. в каждом процессоре будет располагаться до 1 млрд транзисторов.

Разрядность обрабатываемых данных определяется количеством бит информации, которое процессор может обрабатывать одновременно: 16, 32 или 64.

Тактовая частота ПК определяется частотой работы тактового генератора (System Clock), который синхронизирует работу различных компонентов. Частота работы тактового генератора измеряется в мегагерцах. Если первые ПК имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц синхронизировал работу процессора, памяти, шины ввода/вывода, то в современных ПК имеется несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на разных частотах. Частота системы ПК определяется частотой системной шины, причем тактовые частоты всех остальных компонентов ПК являются кратными частоте системной шины. Например, тактовые частоты различных компонентов системы ПК с CPU Pentium II, работающего с тактовой частотой 266 МГц, составляют (в МГц) 66 — для системной шины; 133 — для кэш-памяти второго уровня; 33 — для шины PCI и 8,3 — для шины ISA. Таким образом, производительность всей системы в целом зависит от тактовой частоты системной шины.

Объем памяти, к которой может адресоваться CPU, определяется объемом оперативной памяти ПК, поскольку данные, которые обрабатывает CPU, должны располагаться в RAM. Если процессоры ПК первого поколения имели максимальный объем адресуемой памяти 1 Мбайт, то у процессоров шестого и седьмого поколений эта величина составляет 64 Гбайт.

3.1. Особенности процессоров различных поколений

Процессоры первого и второго поколений представлены CPU 8086/ 8088 и 80286. Процессор 8086/8088 имел тактовую частоту 4,77 МГц и оперативную память 256 Кбайт. Процессор второго поколения имел защищенный режим работы, позволявший обращаться к 16 Мбайт физической и 1 Гбайт виртуальной памяти. Лучшие из процессоров 80286 достигли тактовой частоты в 20 МГц.

Процессоры третьего поколения 80386 отличались от своих предшественников возможностью работы в виртуальном режиме, наличием внешней кэш-памяти CPU, расположенной на материнской плате, и 32-разрядным ядром CPU. 32-разрядный процессор 386 DX имел тактовую частоту уже 33 МГц, обеспечивал адресацию физической памяти до 4 Гбайт и виртуальной — до 64 Гбайт.

Процессоры четвертого поколения 80486 отличаются от процессоров третьего поколения тем, что в само ядро CPU интегрированы кэш-память и сопроцессор, а также реализована конвейеризация вычислений.

Сопроцессор, или математический процессор (Numeric Processing Unit — NPU), предназначен для выполнения арифметических действий с плавающей точкой. Он не управляет системой, а ждет команду от CPU на выполнение арифметических действий и формирование результатов. Фирма Intel полагает, что сопроцессор может на 80 % сократить время выполнения таких операций, как умножение и возведение в степень.

Типичными представителями CPU четвертого поколения являются 80486DX и 80486SX с соответствующими диапазонами тактовых частот 33 — 50 МГц и 2 —33 МГц. В 80486SX отсутствует интегрированный сопроцессор. В обозначениях процессоров 80486DX/2 и 80486DX/4 символы «/2» и «/4» означают, что процессор работает с тактовой частотой соответственно в два и четыре раза выше, чем частота системной шины. CPU 80486DX/4 позволяет увеличить тактовую частоту в четыре раза и содержит 16 Кбайт внутренней кэш-памяти.

Процессоры пятого поколения типа Pentium поддерживают 64-разрядную системную шину с тактовой частотой 66 МГц, имеют технологию предсказания переходов и параллельной конвейерной обработки данных с помощью двух пятиступенчатых конвейеров. Предсказание переходов реализуется благодаря хранению данных о последних 256 переходах в специальном буфере адреса перехода. Кэш-память объемом 16 Кбайт разделена на память данных и память команд по 8 Кбайт, что исключает пересечение команд и данных.

Процессоры Pentium принято подразделять по поколениям в соответствии с хронологией выхода на компьютерный рынок и техническими характеристиками. CPU Pentium первого поколения представляет собой 32-разрядный процессор, работающий на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В начале тактовая частота CPU Pentium второго поколения составляла 90 и 100 МГц, но в настоящее время она достигает 200 МГц. Основное отличие Pentium второго и третьего поколений в том, что ядро процессоров третьего поколения производится по технологии, обеспечивающей размер элемента ядра процессора 0,25 мкм, в то время как у Pentium первого и второго поколений эта величина составляла 0,8 и 0,35 мкм соответственно. Конкуренцию CPU Pentium производства компании Intel на компьютерном рынке составляют процессоры AMD K5 производства компании Advanced Micro Devices и Cyrix 6x86 (Cyrix Corporation), которые по ряду характеристик превосходят CPU Pentium.

Процессоры Pentium MMX ориентированы на решение задач мультимедиа и содержат схемотехнические и архитектурные решения, существенно повышающие производительность: вдвое увеличен размер кэш-памяти (16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для команд); увеличена до шести шагов длина конвейера. Скорость выполнения программ увеличена на 10— 15 %, причем особые преимущества получают любители компьютерных игр, видеофильмов на CD-ROM и профессионалы-дизайнеры.

Процессоры шестого поколения поддерживают 64-разрядную системную шину и работу многопроцессорных систем. Первый CPU шестого поколения фирмы Intel носит имя Pentium Pro. По сравнению с Pentium процессоры Pentium Pro имеют не два, а четыре конвейера с увеличением ступеней при конвейерной обработке данных с пяти до 14, усовершенствованную технологию предсказания переходов. Особенностью CPU Pentium Pro является интегрированная кэш-память второго уровня, которая за счет перемещения с материнской платы в CPU может работать на максимальной частоте CPU. CPU Pentium Pro предназначен для пользователей, работающих с мощными вычислительными средствами.

Процессор Pentium II сочетает архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ. Тактовая частота CPU Pentium II находится в диапазоне от 233 до 450 МГц, а системной шины его материнской платы — от 66 до 100 МГц.

Pentium III, пришедший на смену Pentium II, расширяет возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, распознавания речи, имеет тактовую частоту процессора свыше 600 МГц и системной шины до 1,33 ГГц.

CPU семейства Celeron представляют собой версию Pentium II, предназначенную ускорить процесс перехода пользователей на новое поколение процессоров.

Процессоры семейства AMD K6-2 фирмы AMD имеют в ядре CPU модуль с конвейерной структурой для ускоренной обработки инструкций трехмерной графики, аудио- и видеоданных, что увеличивает производительность процессора, который работает на тактовой частоте от 266 до 450 МГц при частоте системной шины 66, 95 и 100 МГц. В ядро процессора AMD K6-3 интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора, а на материнской плате располагается кэш-память третьего уровня объемом от 512 до 2048 Кбайт.

Процессоры седьмого поколения имеют собственную частоту свыше 1 ГГц и поддерживают новую системную шину с тактовой частотой до 400 МГц. CPU K-7 корпорации AMD получили название Athlon. CPU Athlon первого поколения основаны на технологии 0,22 мкм и имели тактовую частоту до 700 МГц, а второго поколения при переходе на технологию 0,18 мкм достигают частоты 1000 МГц.

CPU Pentium IV (Willamate), по сути модернизация Pentium Pro, имеет тактовую частоту 1500 ГГц и использует системную шину Quard Pumped с тактовой частотой 100 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составляет 256 Кбайт, а второго — от 512 до 1024 Кбайт.

Дальнейшее совершенствование процессоров связано с переходом на новую технологию производства процессоров. Так, компания Intel в 2000 г. перешла на технологию, обеспечивающую размер элемента ядра процессора 0,13 мкм, а к 2005 г. планирует освоить технологию, обеспечивающую 0,035 мкм.

Выбор типа процессора определяется прежде всего теми задачами, для решения которых будет использован ПК. Если задачи ограничиваются работой в Microsoft Office или играми невысокой сложности, то выбирать ПК с CPU седьмого поколения довольно расточительно. Выбирая конфигурацию ПК и ориентируясь на определенный тип CPU, полезно помнить закон, открытый в 1965 г. Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel: «Мощность CPU удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости».