Реферат: Процессор
Комсомольск-на-Амуре
KOST
&
AKRED
Процессор
Все началось с того, что был изобретен мощный микропроцессор
«Терминатор-2. Судный день»
...1949 год был, в общем-то, не слишком примечательным годом в истории
человечества. Не считая разве что того примечательного факта, что именно в
этом году над американской пустыней сошла со своих небесных трасс знаменитая
«летающая тарелка из Нью-Мексико». Та самая, над загадкой которой до сих пор
безуспешно ломает голову все прогрессивное человечество.
Сегодня выжившие свидетели тех далеких дней утверждают, что при тщательном
потрошении сего неопознанного объекта из него были извлечены не только трупы
инопланетян, но и некие управляющие устройства, на основе которых и были
созданы микропроцессоры...
Допустим, так оно и было. И инопланетяне были (вскрытие оных даже было вроде
бы запечатлено на кинопленку и сегодня соответствующий фильм продается едва
ли не в каждом киоске), и инопланетные же процессоры. Правда, трудно
представить себе НЛО, чьим управлением заведуют устройства, аналогичные
первым процессорам Intel-4004.
Но может быть, поэтому и грохнулась тарелочка?
Как бы то ни было, для «копирования» инопланетной техники ученые избрали
весьма долгий и извилистый путь. Сначала (для отвода глаз) были изобретены
отдельные элементы — транзисторы, заменившие традиционные электронные лампы
в первых компьютерах. Затем через десяток лет хитроумные инженеры,
посмеиваясь (Еще бы! Конечный-то результат всех их трудов уже давно лежал в
сейфе!), «изобрели» интегральные микросхемы, позволяющие уместить на одном
кристалле большое количество транзисторов. И еще только через десяток лет
миру явился сам микропроцессор, содержащий уже тысячи и миллионы этих самых
транзисторов.
Отдадим должное выдержке и упорству хитрых плагиаторов... и примитивности
инопланетной техники.
А теперь серьезно.
Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году командой во главе с
талантливым изобретателем, доктором Тедом Хоффом. Сегодня его имя стоит в
ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов... Но вряд ли
мудрый доктор знал в то время, во что выльется созданный им «компьютер на
одном кристалле». Изначально процессор 4004 предназначался для...
микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К
счастью для всех нас, фирма эта обанкротилась, так и не дождавшись
процессор гипа.сокет» обещанного микропроцессора — и в результате разработка
перешла в собственность не ожидавшей такого счастья Intel. С этого момента и
началась эпоха персональных компьютеров, «звездный час» которых настал в
начале 80-х. Именно тогда фирмой IBM был выпущен уже ставший легендарным
компьютер IBM PC на основе нового микропроцессора все той же фирмы Intel...
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.
Факт, который автор не постеснялся привести строкой выше, уже давно стал
штампом, обязательным в любой рекламе фирмы Intel. Хотя и не стал от этого
менее правдивым и красноречивым.
И теперь, в эпоху гигагерцовых скоростей и сверхъестественной
«сообразительности» компьютеров, из тени пдить весьма сакраментальный вопрос:
а сможет ли человек правильно распорядиться этой внезапно свалившейся на него
мощностью?
Процессоров в компьютере много. Помимо центрального процессора, который во
всем мире принято обозначать аббревиатурой CPU (Central Processor Unit),
схожими микросхемами оборудовано практически каждая компьютерная «железяка».
Главный, центральный процессор с легкой руки журналистов называют «королем»
системного блока, единовластно повелевающим всеми его ресурсами. Но уследить
абсолютно за всем, что происходит в его «королевстве», даже шустрый процессор
не в состоянии — королевская занятость разбрасываться не позволяет. И тогда
на помощь «королю» приходят «наместники» — специализированные
микропроцессоры-чипы по обработке, например, обычной и трехмерной графики,
3D звука, компрессии и декомпрессии... Таких «наместников» в компьютере много
и размещаются они на специализированных, дополнительных платах (о них — речь
впереди). И называются они уже не «процессорами», а просто «чипами». С этим
термином нам еще частенько придется встретиться на страницах этой книги...
На первый взгляд, процессор — просто выращенный по специальной технологии
кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор, именуется «камнем»). Однако
камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов — транзисторов,
которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее,
вычислять, производя определенные математические операции с числами, в
которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких
транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. А в допроцессорную
эпоху роль «вычислителей» несли на себе в миллионы раз более громоздкие
устройства... Началось все еще в 30-х годах нашего столетия с механических
переключателей — реле, в сороковые им на смену пришли электронные лампы.
Только представьте себе — сотни тысяч электронных ламп, громадное количество
аппаратуры размером с хороший дом! Работали такие компьютеры не только
медленно, но и крайне недолго — одна перегоревшая лампа немедленно выводила
из строя весь компьютер. Бесперебойная работа в течение 10—15 минут — вот и
все, на что были способны «ламповые» компьютеры.
В 50-х годах на смену капризным лампам пришли компактные «электронные
переключатели» — транзисторы, затем — интегральные схемы, в которых впервые
удалось объединить на одном кристалле кремния сотни крохотных транзисторов.
Но все-таки отсчет летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 года, с
момента появления первого микропроцессора...
За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, процессоры сильно
изменились. Сегодняшний процессор — это не просто скопище транзисторов, а
целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле
находятся:
1. Собственно 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 программотихоньку начинает выхо-3. Кэш-память
первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая
память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.
4. Кэш-память второго уровня — эта память чуть помедленнее, зато больше
— от 128 до 512 кбайт.
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.
Впрочем, при выборе микропроцессора мы руководствуемся отнюдь не
«микронностью» технологии, по которой этот процессор сделан. Существуют
другие, гораздо более важные для нас характеристики процессора, которые прямо
связаны с его возможностями и скоростью работы.
Тактовая частота. Скорость работы — конечно же, именно на этот показатель мы
обращаем внимание в первую очередь! Хотя лишь немногие пользователи
понимают, что, собственно, он означает. Ведь для нас, неспециалистов, важно
лишь то, насколько быстро новый процессор может работать с нужными нам
программами — а как, спрашивается, оценить эту скорость?
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...
Не слишком удобно. Поэтому большинство пользователей, говоря о скорости
процессора, подразумевает совсем другой показатель. А называется он тактовой
частотой. Эта величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько
инструкций способен выполнить процессор в течение секунды) Тактовая частота
обозначается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-1200, то есть
процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 1200 МГц или 1,2 ГГц).
Сегодня наибольшей популярностью на рынке пользуются процессоры с частотой
от 800 до 1200 МГц. Однако тем, кто будет читать эту книжку в конце 2001
года, автору придется посоветовать приобретать процессор с частотой не менее
1,5 ГГц. Ведь согласно так называемому «закону Мура», названного в честь
одного из изобретателей микропроцессора и нынешнего руководителя корпорации
Intel, каждые полтора года частота микропроцессоров увеличивается не менее,
чем в два раза...
Тактовая частота — бесспорно, самый важный показатель скорости работы
процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт,
что процессоры Celeron, Pentium III и Pentium 4 на одной и той же частоте
работаюЗдесь вступают в силу новые факторы — поколение и модификация данного
процессора.
Поколения процессоров
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.
Бели брать 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.
Модификация.
В каждом поколении имеются модификации, отличающиеся друг от друга
назначением и ценой. Например, в славном семействе Pentium II I числятся три
«брата» — старший, Хеоn, работает на мощных серверах серьезных учреждений.
Средний братец, собственно Pentium III, трудится на производительных
настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ 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.
В случае же с разными модификациями процессоров на арену выходят еще
некоторые дополнительные параметры, которыми, собственно, модификации и
отличаются друг от друга.
Разбору этих параметров можно было бы в принципе посвятить целый том, но
вряд ли большинство из вас интересуют чисто технические подробности. Кроме,
пожалуй, одной — размера кэш-памяти. В эту память компьютер помещает все
часто используемые данные, чтобы не «ходить» каждый раз «за семь верст киселя
хлебать» — к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.
Кэш-памяти в процессоре имеется двух видов.
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 Хеоп (2 Мбайт). У Pentium III 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-т... с разной скоростью?
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!
Тип ядра и технология производства.
Думаю, уже хорошо подготовленным ко всяким шокирующим известиям нет нужды
объяснять, что хитрые производители процессоров ухитряются периодически
производить революции не только в пределах одного поколения, но и одной
модификации! И чаше всего это связано с переходом на новую технологию
производства процессоров и, вслед за этим, за сменой процессорного «ядра».
О технологии мы с вами уже говорили: как мы помним, она определяется
размером минимальных элементов процессора. Так, в 1999 году, вслед за
переходом на новую, 0,13-микронную технологию, произошла смена «ядер» у
процессоров Intel. Торговые марки остались прежними (Pentium III и Celeron),
однако на смену ядрам под кодовым названием Katmai (Pentium III) и Mendocino
(Celeron) пришло новое, под названием Coppermine. 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 (Coppermine)-667,
Athlon (Thunderbird)-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).
Частота системной шины.
Последний технологический параметр процессора, с которым нам придется
столкнуться в рамках этой главы. Связан он уже с совершенно другим
устройством — материнской платой. Шиной называется та аппаратная магистраль,
по которой бегут от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины —
тем больше данных поступает за единицу времени к процессору
Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через
так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота — это и есть
частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем
величину. Например, частота процессора 500 МГц — это частота системной шины
в 100 МГц умноженная на коэффициент 5.
Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах
системной шины 100 и 133 МГц. А частота для «пасынков», 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,
частенько отчаянные умельцы принудительно заставляют 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
«взбадривает» 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...
Форм-фактор.
То есть — тип исполнения процессора, его «внешности» и способа подключения к
материнской платы.
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 куда 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 процессоров — позднее, по мере «обкатки» технологии производства,
их производители переходят на более компактный и дешевый формат «сокет».
Еще не так давно — каких-нибудь пять лет назад — рынок не был избалован
обилием форм-факторов: разные процессоры от разных фирм-производителей
походили друг на друга, как две капли воды, и могли работать на одних и тех
же материнских платах. Ситуация начала меняться в 1995 г., а сегодня мы
наблюдаем уже настоящий «беспредел» многообразия несовместимых друг с другом
форм-факторов: «удваивать» частоту шины работают, соответственно, на частоте
200 (старые модели Duron и Athlon) и 266 МГц.
Старые модели процессоров (1998—1999)
• Процессоры для разъема SuperSocket? — процессоры фирм AMD (Кб, К6-2), Cyrix
(M2), Centaur Technology (IDT).
•Процессоры для разъема Sloti — процессоры фирмы Intel:
Pentium II (233-450 МГц), Pentium III и Celeron (300-450 МГц).
• Процессоры дляразъема Slot А — 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 (2000—2002)
•Процессоры для разъема Socket A — процессоры фирмы AMD (Athlon Thunderbird,
Duron).
•Процессоры для разъема FC-PGA — процессоры фирмы Intel:
Pentium III Coppermine (от 500 МГц), Celeron Coppermine (от 533 МГц).
• Процессоры для разъема Socket-423 — Pentium 4.
Самое досадное, что большинство процессоров не совместимы друг с другом по
способу подключения к материнской плате — каждый требует для себя
специального «ложа». Отчасти ситуацию удается исправить с помощью
специальных плат-переходников, благодаря которым можно установить, например,
процессор для Socket-370 в гнездо FC-PGA или в разъем Slot 1.
Фирма-производитель.
Вы уже поняли, что не Intel'ом единым жив процессорный мир. Спору нет, Intel
— флагман современного процес-соростроения, бесспорный лидер, Источник
Вечного Наслаждения и так далее. Но...
Природа капитализма не терпит пустоты. Но еще более не терпит, когда эта
пустота заполняется кем-нибудь одним. Конкуренция — вот главный двигатель
прогресса!
Рынок процессоров — не исключение. И потому рядом с большой акулой — Intel —
мы неизменно встречаем названия двух акулок помельче, но не менее хищных.
AMD — большая головная боль Intel, ее вечный антагонист и конкурент. Еще
недавно процессоры этой фирмы занимали не более 20 % рынка — однако в 1999
году, после выхода процессора Athlon, AMD стремительно стала «набирать очки»
в глазах пользователя и сегодня конкурирует с Intel на равных.
Изюминка AMD — не только более низкая цена (на 10-20 % ниже, чем у сравнимого
по скорости Pentium). Именно в процессорах AMD была впервые реализована
уникальная система инструкций для поддержки обработки мультимедиа-данных и
трехмерной графики 3DNow!, которая, в отличие от интеловской технологии SSI,
охотно поддерживается ныне большинством производителей игр.
Именно процессоры AMD выбирают сегодня самые отчаянные экспериментаторы и
фэны компьютерных игр. Осторожные консерваторы, как правило, делают выбор в
пользу проверенной временем марки Intel.
...А тем временем на горизонте возникают новые игроки. Свой собственный
процессор доводит до ума известный производитель набором микросхем для
материнских плат (чипсетов) VIA, доблестно пытается вновь завоевать рынок
дешевых компьютеров некогда популярная Cyrix. Процессорные битвы продолжаются
— но пользователи от этого отнюдь не в проигрыше.
Что благородней духом — покоряться рекламным «пращам и стрелам», щедро
рассыпаемым «пляшущими человечками» от Intel, иль ополчась на «большого
брата» назло ему (и на радость своим играм) выбрать альтернативный процессор
от AMD? — этот вопрос каждый пользователь решает для себя, руководствуясь
лишь собственными вкусами и пристрастиями. Как правило, новички
останавливают свой выбор на проверенных процессорах от Intel, в то время как
опытные любители экспериментов все чаще выбирают AMD.
Напоследок — еще один совет. Как известно, процессоры фирм-конкурентов обычно
сравниваются с процессорами Intel в соответствии с так называемым «рейтингом
производительности».
Мы тоже введем свой рейтинг — ценовой. Цены на процессоры меняются каждый
день, однако неизменным остается следующее:
• Процессор начального уровня «для домашних нужд» — от 70 до 150 долл.
• Процессор «для привередливых» и просто продвинутых пользователей — от 150
до 200 долл.
• Процессор высшего класса (для рабочих станций) — от 250 до 450 долл.
При выборе нового компьютера ориентируйтесь на процессор второй ценовой
категории. В этом случае вы получите даже несколько избыточную на
сегодняшний день мощность,... которая обязательно понадобится вам с выходом,
скажем, новой операционной системы или компьютерной игры. Первому процессору
примерно через полгода придется искать замену, ну а покупка третьего —
согласитесь, просто расточительство...
Список литературы
1. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР 2002 В.П. ЛЕОНТЬЕВ Москва «Олма – пресс»2002 г.