* * *
Естественное желание человека жить в более комфортных условиях с меньшими затратами сил и средств является одним из наиболее устойчивых стремлений человечества. Пришедшее в дом цифровое управление с гибкой логикой подняло комфорт на недоступный ранее большинству людей уровень. И в дальнейшем этот уровень будет возрастать.
Микропроцессоры – невидимые труженики
Микропроцессор. Мы так привыкли к этому названию, что уже не вспоминаем, что еще не так давно (лет тридцать тому назад) процессоры были далеко не «микро». Более того, первые процессоры были механическими. Совсем недавно в бухгалтериях использовались механические счетные машинки, в которых арифметические действия выполнялись с помощью набора вращающихся зубчатых колес. Первые компьютеры, выполненные на электронных лампах, имели процессоры, занимающие несколько комнат. Транзисторные компьютеры были значительно меньше – их процессор умещался в нескольких шкафах.
Немного истории
И только в 1971 году компания Intel, объединив в одном кристалле несколько тысяч транзисторов, создала первый микропроцессор – легендарный Intel 4004. Название показывает, что этот прибор мог работать с 4-разрядными словами. Низкая частота работы и ограниченный набор инструкций (команд для выполнения программы) – так можно говорить только сегодня. А тридцать лет назад это был лучший процессор и единственный «микро». 4-разрядная структура процессора Intel 4004 означает, что для обработки 16-разрядного слова необходимо устанавливать четыре микропроцессора, на каждом из которых ведется работа с четырьмя разрядами. На рис. 2.1 показана структура 16-разрядного процессора, выполненного из четырех 4-разрядных микропроцессоров. На одном микропроцессоре можно проводить вычисления 4 раза, т. е. затрачивать на обработку одного слова 4 такта работы компьютера. На рис. 2.2 показана организация работы одного процессора при переработке 16-разрадного слова.
Рис. 2.1. Структура 16-разрядного процессора
Рис. 2.2. Организация работы одного процессора
Для того чтобы не увеличивать габариты компьютера и ускорить его работу, процессоры стали делать многоразрядными: Intel 8086, 80186 и 80286 работали с 16-разрядными числами, а начиная с Intel 80386 процессоры стали 32-разрядными. Теперь подошло время 64-разрядных процессоров.
Для того чтобы не увеличивать габариты компьютера и ускорить его работу, процессоры стали делать многоразрядными: Intel 8086, 80186 и 80286 работали с 16-разрядными числами, а начиная с Intel 80386 процессоры стали 32-разрядными. Теперь подошло время 64-разрядных процессоров.
Немного классификации
Сегодня можно выделить три основных класса компьютеров: мощные серверы и суперкомпьютеры; персональные компьютеры (PC), мобильные компьютеры. Некоторые компьютеры находятся на «границе» между классами. Так, мощные рабочие станции по своим характеристикам ближе к серверам, хотя предназначены для персонального использования, как PC. Соответственно, выпускается три группы микропроцессоров, каждая из которых ориентирована на свой класс компьютеров. В табл. 2.1 приведена классификация основных выпускаемых сегодня процессоров.
Современные процессоры имеют центральную часть (ядро), окруженную дополнительными узлами. На одном кристалле, кроме процессора, находятся также сопроцессор (обеспечивающий работу с числами с плавающей точкой), схемы работы с группами операндов, кэш-память (объемом до нескольких мегабайт) и другие узлы. Реально собственно процессор (его ядро) занимает на кристалле не более 10 % площади. Одно ядро может использоваться для процессоров, ориентированных на различные сегменты рынка. Сегодня процессоры характеризуются следующими параметрами:
• количество транзисторов в одном кристалле превосходит 40 миллионов;
• частота работы – 2 ГГц;
• разрядность обрабатываемого слова – 32 или 64;
• число инструкций – превысило 200.
И вот в своем поступательном движении процессор достиг определенного предела[28]. И, естественно, стал трансформироваться, причем сразу в трех направлениях.
Во-первых, на одном кристалле стали размещать сразу несколько процессоров. Такое построение является идеальным для создания многопроцессорных компьютеров[29]. Двухпроцессорные кристаллы выпускают IBM и Sun. Intel также сообщил о начале работ над микросхемой, включающей два процессора, каждый из которых имеет свою кэш-память и общий кэш второго уровня.
Во-вторых, процессор стал включать в себя дополнительные устройства, такие как звуковые схемы, устройства для работы с графикой, узлы ввода/вывода информации и другие элементы, позволяющие значительно сократить число электронных компонентов в компьютере. Такое решение очень актуально для мобильных устройств. В процессоре MediaGX (National Semiconductor), сделанном по идеологии PC-on-a-chip (компьютер на кристалле), к ядру добавлены контроллеры памяти и видеоускоритель. Здесь же находится кэш-память объемом 64 Кбайт.
Третье направление связано с дальнейшей интеграцией. К микропроцессору (CPU) были добавлены необходимые для компьютера устройства. В результате на одном кристалле реализован микрокомпьютер, который состоит из:
• микропроцессора, предназначенного для обработки информации;
• постоянной памяти (RAM), в которой записаны операционная система и рабочие программы;
• оперативной памяти (ROM), служащей для хранения промежуточных данных;
• энергонезависимой памяти (EEPROM), в которой размещаются данные, изменяющиеся относительно редко;
• системы контроля времени (TIME);
• системы ввода-вывода данных (I/O).
На рис. 2.3 показана структура микрокомпьютера и организация связи между его элементами.
Рис. 2.3. Структура микрокомпьютера
Именно эти устройства сегодня применяются в самых различных изделиях как бытовых[30], так и производственных. Такие же микрокомпьютеры используются в интеллектуальных банковских карточках[31] и мобильных телефонах[32]. Микрокомпьютеры, как правило, решают ограниченный круг задач. Поэтому их программное обеспечение неизменно и находится в RAM. Все мы, пользователи бытовых приборов или промышленных установок, не знаем, какой конкретно микрокомпьютер здесь установлен. Да это и не важно, главное – чтобы он обеспечивал эффективное управление. Сегодня микрокомпьютеры выпускают многие фирмы. Наибольший объем производства у фирм Motorola, Intel, National Semiconductor, Hitachi, STMicroelectronics (SGS-Thomson), Texas Instruments, Philips.
Таблица 2.1. Классификация основных типов выпускаемых процессоров
• количество транзисторов в одном кристалле превосходит 40 миллионов;
• частота работы – 2 ГГц;
• разрядность обрабатываемого слова – 32 или 64;
• число инструкций – превысило 200.
И вот в своем поступательном движении процессор достиг определенного предела[28]. И, естественно, стал трансформироваться, причем сразу в трех направлениях.
Во-первых, на одном кристалле стали размещать сразу несколько процессоров. Такое построение является идеальным для создания многопроцессорных компьютеров[29]. Двухпроцессорные кристаллы выпускают IBM и Sun. Intel также сообщил о начале работ над микросхемой, включающей два процессора, каждый из которых имеет свою кэш-память и общий кэш второго уровня.
Во-вторых, процессор стал включать в себя дополнительные устройства, такие как звуковые схемы, устройства для работы с графикой, узлы ввода/вывода информации и другие элементы, позволяющие значительно сократить число электронных компонентов в компьютере. Такое решение очень актуально для мобильных устройств. В процессоре MediaGX (National Semiconductor), сделанном по идеологии PC-on-a-chip (компьютер на кристалле), к ядру добавлены контроллеры памяти и видеоускоритель. Здесь же находится кэш-память объемом 64 Кбайт.
Третье направление связано с дальнейшей интеграцией. К микропроцессору (CPU) были добавлены необходимые для компьютера устройства. В результате на одном кристалле реализован микрокомпьютер, который состоит из:
• микропроцессора, предназначенного для обработки информации;
• постоянной памяти (RAM), в которой записаны операционная система и рабочие программы;
• оперативной памяти (ROM), служащей для хранения промежуточных данных;
• энергонезависимой памяти (EEPROM), в которой размещаются данные, изменяющиеся относительно редко;
• системы контроля времени (TIME);
• системы ввода-вывода данных (I/O).
На рис. 2.3 показана структура микрокомпьютера и организация связи между его элементами.
Именно эти устройства сегодня применяются в самых различных изделиях как бытовых[30], так и производственных. Такие же микрокомпьютеры используются в интеллектуальных банковских карточках[31] и мобильных телефонах[32]. Микрокомпьютеры, как правило, решают ограниченный круг задач. Поэтому их программное обеспечение неизменно и находится в RAM. Все мы, пользователи бытовых приборов или промышленных установок, не знаем, какой конкретно микрокомпьютер здесь установлен. Да это и не важно, главное – чтобы он обеспечивал эффективное управление. Сегодня микрокомпьютеры выпускают многие фирмы. Наибольший объем производства у фирм Motorola, Intel, National Semiconductor, Hitachi, STMicroelectronics (SGS-Thomson), Texas Instruments, Philips.
Для мобильных устройств
Мобильные устройства условно делятся на два класса: мобильные и карманные компьютеры. В мобильных компьютерах используются, как правило, процессоры, аналогичные тем, что устанавливаются в настольные с несколько меньшим быстродействием и потому потребляющие меньше энергии.
В карманных компьютерах (КПК – карманные персональные компьютеры) и смартфонах, кроме мобильных вариантов процессоров для настольных систем, применяются и специфичные процессоры, в том числе: SH3, SH4 (компании Hitachi), ТХ Series (Toshiba), VR41 lx, VR412x, VR54xx (NEC).
Особо необходимо выделить архитектуры ARMv6 (компании ARM). Процессоры на основе этого ядра выпускают несколько компаний, в частности Intel. Новые высокопроизводительные процессоры малой мощности будут применяться Intel в микроархитектуре Intel XScale, рассчитанной на сетевой, автомобильный, беспроводный сегменты IT-рынка и рынок КПК. Ядро ARM – ключевое звено открытой архитектуры Intel Personal Internet Client Architecture (Intel PCA) для мобильных Internet-устройств. Уже несколько компаний, выпускающих мобильные устройства, поддержали технологию РСА, том числе Compaq и Symbian.
В карманных компьютерах (КПК – карманные персональные компьютеры) и смартфонах, кроме мобильных вариантов процессоров для настольных систем, применяются и специфичные процессоры, в том числе: SH3, SH4 (компании Hitachi), ТХ Series (Toshiba), VR41 lx, VR412x, VR54xx (NEC).
Особо необходимо выделить архитектуры ARMv6 (компании ARM). Процессоры на основе этого ядра выпускают несколько компаний, в частности Intel. Новые высокопроизводительные процессоры малой мощности будут применяться Intel в микроархитектуре Intel XScale, рассчитанной на сетевой, автомобильный, беспроводный сегменты IT-рынка и рынок КПК. Ядро ARM – ключевое звено открытой архитектуры Intel Personal Internet Client Architecture (Intel PCA) для мобильных Internet-устройств. Уже несколько компаний, выпускающих мобильные устройства, поддержали технологию РСА, том числе Compaq и Symbian.
Пока монополия
В настоящее время выпускаются два больших класса персональных компьютеров: IBM PC и Macintosh. В них используются разные процессоры (вернее – процессоры с различной структурой ядра). Количество работающих компьютеров различно: IBM PC примерно в 12–15 раз больше, чем Macintosh[33].
В компьютерах типа IBM PC используют процессоры (микропроцессоры), первоначально разработанные фирмой INTEL. Раньше каждый тип процессора имел свое обозначение, номер которого оканчивался цифрами 86: 18086 (полное обозначение INTEL8086), 18088, i80186, i286, i386, i486. В настоящее время выпускаются процессоры, имеющие обозначение PENTIUM. В табл. 2.2 приведены сравнительные характеристики основных процессоров, выпускаемых фирмой Intel.
Частота работы процессора определяет скорость обработки данных. Этот параметр особенно важен для выполнения задач, в которых выполняется большое количество арифметических и логических действий, в частности трехмерной графики или видеоизображений. Современная работа с музыкой требует не только обработки звуковых данных, но и сопровождается выводом на монитор нотной партитуры и другой визуальной информации. Поэтому при серьезной работе со звуком, например при сочинении музыки, также требуется быстродействующий процессор. И наконец, игры, в которых используется и графика, и музыка. От быстродействия процессора зависят и частота смены кадров («гладкость» движения персонажей игр), и количество персонажей (например, «монстров»), которые участвуют в игре.
Увеличение быстродействия процессора привело к тому, что время обращения к основной памяти компьютера значительно превысило время выполнения команд. Это и обусловило появление буферной памяти – кэш-память (cache – от англ. «тайник»), которая размещается между процессором и основной памятью и работает на частоте процессора. Обмен данными между процессором и кэш-памятью ведется словами большей разрядности (до 256 разрядов в слове), чем при обмене с основной памятью (64 разряда). Поэтому использование кэш-памяти повышает производительность процессора. Кэш-память размещается непосредственно на кристалле процессора и занимает его основную часть. На рис. 2.4 показана структура связей между процессором, памятью и кэш-памятью.
Рис. 2.4. Структура связей между процессором, памятью и кэш-памятью
Указанные в табл. 2.2 данные не дают полной характеристики того или иного типа процессоров. Нельзя считать, что 500-мегагерцовый Pentium III только в 50 раз производительней, чем i286. Реальная производительность Pentium III в несколько сотен или даже тысяч раз выше. Это связано, кроме частоты, с более длинными обрабатываемыми за один такт словами (4 байта вместо 2), возможностью проведения нескольких операций за один такт (у 286 одна команда обрабатывалась несколько тактов). Так, наличие ММХ обеспечило проведение за один такт сложения четырех коротких слов.
Архитектура Pentium (архитектура IA32 – Intel Architecture, 32-разрядная) впервые появилась в марте 1993 года. Набор команд не менялся со времен i386[34]. Потом появился Pentium ММХ, в котором был реализован набор из 57 команд ММХ: процессор теперь мог обрабатывать множественные данные в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data – SIMD). В Pentium II (май 1997 года) добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширяющий набор команд ММХ. Pentium III получил интегрированную на кристалле кэш-память объемом 256 Кбайт. Pentium 4 выпускается с осени 2000 года. В архитектуру введен ряд усовершенствований, направленных на увеличение тактовой частоты и производительности, а также новый набор инструкций SSE2. 27 августа 2001 года объявлен вариант процессора, работающего на частоте 2 ГГц. Полутора годами раньше вышел Pentium III 1 ГГц. Удвоение частоты работы процессора за полтора года – яркое подтверждение закона Мура. Кроме процессора Pentium (на том же ядре), фирма Intel выпускает еще два процессора. Celeron, с меньшей кэш-памятью (128 Кбайт) и меньшим быстродействием, предназначенный для более дешевых компьютеров. Хеоп ориентирован на серверы и способен работать в многопроцессорных конфигурациях. Кэш имеет объем до 2 Мбайт, что во многом определяет не только высокую производительность процессора, но и высокую стоимость. Всего компания Intel выпускает в год более 100 млн. процессоров, т. е. больше, чем все остальные процессорные фирмы все вместе взятые.
Компания AMD продала во II квартале 7,7 млн. своих процессоров, что составило 22,2 % рынка процессоров с архитектурой IA32. Компания является главным конкурентом Intel на этом рынке. В том же квартале Intel произвела 76,2 % процессоров IA32 (26,4 млн.).
Процессор Athlon – первый проект AMD, в котором она отошла от прямого копирования архитектур Intel и предложила рынку свой вариант платформы для PC. Процессор имеет кэшпамять объемом 128 Кбайт. Здесь реализован не только модуль ММХ, но и дополнительный набор инструкций 3DNow! который обеспечивает более эффективную обработку графической информации. Системная шина – EV-6, та же, что и в процессорах Alpha (см. далее), что дает возможность создавать платы, поддерживающие оба процессора. Более простой процессор фирмы AMD (Duron) ориентирован на сектор простых компьютеров. Duron – конкурент процессора Celeron.
В компьютерах типа IBM PC используют процессоры (микропроцессоры), первоначально разработанные фирмой INTEL. Раньше каждый тип процессора имел свое обозначение, номер которого оканчивался цифрами 86: 18086 (полное обозначение INTEL8086), 18088, i80186, i286, i386, i486. В настоящее время выпускаются процессоры, имеющие обозначение PENTIUM. В табл. 2.2 приведены сравнительные характеристики основных процессоров, выпускаемых фирмой Intel.
Таблица 2.2. Основные характеристики процессоров, выпускаемых фирмой Intel
Увеличение быстродействия процессора привело к тому, что время обращения к основной памяти компьютера значительно превысило время выполнения команд. Это и обусловило появление буферной памяти – кэш-память (cache – от англ. «тайник»), которая размещается между процессором и основной памятью и работает на частоте процессора. Обмен данными между процессором и кэш-памятью ведется словами большей разрядности (до 256 разрядов в слове), чем при обмене с основной памятью (64 разряда). Поэтому использование кэш-памяти повышает производительность процессора. Кэш-память размещается непосредственно на кристалле процессора и занимает его основную часть. На рис. 2.4 показана структура связей между процессором, памятью и кэш-памятью.
Указанные в табл. 2.2 данные не дают полной характеристики того или иного типа процессоров. Нельзя считать, что 500-мегагерцовый Pentium III только в 50 раз производительней, чем i286. Реальная производительность Pentium III в несколько сотен или даже тысяч раз выше. Это связано, кроме частоты, с более длинными обрабатываемыми за один такт словами (4 байта вместо 2), возможностью проведения нескольких операций за один такт (у 286 одна команда обрабатывалась несколько тактов). Так, наличие ММХ обеспечило проведение за один такт сложения четырех коротких слов.
Архитектура Pentium (архитектура IA32 – Intel Architecture, 32-разрядная) впервые появилась в марте 1993 года. Набор команд не менялся со времен i386[34]. Потом появился Pentium ММХ, в котором был реализован набор из 57 команд ММХ: процессор теперь мог обрабатывать множественные данные в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data – SIMD). В Pentium II (май 1997 года) добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширяющий набор команд ММХ. Pentium III получил интегрированную на кристалле кэш-память объемом 256 Кбайт. Pentium 4 выпускается с осени 2000 года. В архитектуру введен ряд усовершенствований, направленных на увеличение тактовой частоты и производительности, а также новый набор инструкций SSE2. 27 августа 2001 года объявлен вариант процессора, работающего на частоте 2 ГГц. Полутора годами раньше вышел Pentium III 1 ГГц. Удвоение частоты работы процессора за полтора года – яркое подтверждение закона Мура. Кроме процессора Pentium (на том же ядре), фирма Intel выпускает еще два процессора. Celeron, с меньшей кэш-памятью (128 Кбайт) и меньшим быстродействием, предназначенный для более дешевых компьютеров. Хеоп ориентирован на серверы и способен работать в многопроцессорных конфигурациях. Кэш имеет объем до 2 Мбайт, что во многом определяет не только высокую производительность процессора, но и высокую стоимость. Всего компания Intel выпускает в год более 100 млн. процессоров, т. е. больше, чем все остальные процессорные фирмы все вместе взятые.
Компания AMD продала во II квартале 7,7 млн. своих процессоров, что составило 22,2 % рынка процессоров с архитектурой IA32. Компания является главным конкурентом Intel на этом рынке. В том же квартале Intel произвела 76,2 % процессоров IA32 (26,4 млн.).
Процессор Athlon – первый проект AMD, в котором она отошла от прямого копирования архитектур Intel и предложила рынку свой вариант платформы для PC. Процессор имеет кэшпамять объемом 128 Кбайт. Здесь реализован не только модуль ММХ, но и дополнительный набор инструкций 3DNow! который обеспечивает более эффективную обработку графической информации. Системная шина – EV-6, та же, что и в процессорах Alpha (см. далее), что дает возможность создавать платы, поддерживающие оба процессора. Более простой процессор фирмы AMD (Duron) ориентирован на сектор простых компьютеров. Duron – конкурент процессора Celeron.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента