1. Центральный процессор персонального компьютера
В корпусе любого персонального компьютера (ПК) находится основной блок - его системная (материнская) плата (Mother board). Она представляет собой пластмассовую пластину, пересекаемую множеством медных дорожек. На ней находятся почти все основные элементы ПК, а также специальные дополнительные разъемы (гнезда расширения, слоты). В них можно вставить дополнительные микросхемы памяти, подключить новые периферийные устройства и т.д. В первых ПК типа IBM РC/XT или IBM РC/АТ использовались в основном микросхемы ТТЛ-логики. В современных платах используются большие интегральные микросхемы (чипы). Благодаря им уменьшаются размеры системной платы, снижается потребление электроэнергии, повышается производительность компьютера.
Сердцем системной платы является микропроцессор, называемый центральным процессором (ЦП). Его основными характеристиками являются число разрядов и тактовая частота, которая определяет время выполнения элементарной операции внутри процессора. Максимальная тактовая частота процессора во многом определяется технологией его изготовления. Чем компактнее расположены все компоненты микропроцессора, тем больше ее можно повысить. Современные технологии позволяют изготовить транзисторы размером до 0,1 мкм (0,1 мкм – технология). Однако при увеличении плотности размещения компонентов процессора, увеличивается количество тепла, выделяющееся с единицы площади, которое надо своевременно отводить, чтобы избежать перегрева процессора.
Наряду с технологическими проблемами для повышения быстродействия процессоров постоянно происходит совершенствование их архитектуры. Оно направленно на увеличение числа операций, производимых в единицу времени, снижения времени на обмен данных как внутри процессора, так и с внешними устройствами.
Постепенное решение этих проблем привело к появлению нескольких поколений процессоров.
В 1970 г. фирма Intel представила свои первые микропроцессоры с условным обозначением 8008. Это был 4-разрядный процессор, который однако не получил широкого применения. В то время рынок был еще не готов использованию таких устройств.
В 1974 г. появился микропроцессор 8080, который обладал невиданной в то время разрядностью шины данных - 8 бит. Этот микропроцессор в больших количествах раскупался радиолюбителями, которые на его основе создавали первые любительские компьютеры.
Следующее поколение микропроцессоров фирмы Intel - микропроцессор 8086 имел шину данных в 16 бит и тактовую частоту 4,77 МГц. Однако слишком дорогостоящая технология заставила фирму Intel через некоторое время выпустить другой вариант микропроцессора 8088, имевший внешнюю разрядность только 8 бит. Именно этот процессор выбрала фирма IBM для своего первого ПК РC/XT.
B 1984 г. появился процессор 80286. Он был установлен в ПК РC/AT, имел 16-ти битную шину и тактовую частоту 4,77 МГц. Затем тактовая частота постепенно повышалась до 8, 12, 16, 20 МГц.
D 1986 году был выпущен процессор Intel 80386 DX. Он имеет 32 разряда шины данных и 32 адресных шины, т.е. он может параллельно обрабатывать 4 бита данных и адресоваться к оперативной памяти объемом до 4 Гб. Тактовые частоты процессора 80386 равняются 25, 33, 40 МГц.
В 1989 г. появился процессор Intel 80486 DX, имевший 32-разрядные шины адреса и данных. По сравнению с 80386 он имеет большую скорость обработки основных команд и встроенный сопроцессор. Повышение производительности произошло в основном за счет интегрированного сопроцессора и кэш-памяти объемом 8 Кбайт. Это статическое ОЗУ хранит данные, которые наиболее часто запрашиваются процессором. Благодаря этому сокращается число обращений процессора к более медленной оперативной памяти на динамических чипах (микросхемах), которые нуждаются в периодическом обновлении данных.
Далее были разработаны модификации процессора Intel 80486 DX - процессор Intel 80486 DX2 и процессор Intel 80486 DX4. Процессор Intel 80486 DX2 представляет собой модификацию процессора 80486 с тем же расположением контактов, того же размера, но с удвоенной внутренней частотой. Таким образом, на внешнем уровне он работает, как и процессор 80486, допустим с частотой 33 МГц, но все операции, производящиеся внутри процессора, выполняются уже с частотой в 66 МГц. В процессоре 80486 DX4 коэффициент увеличения внутренней частоты равен 3.
В 1993 г. впервые был представлен процессор Pentium нового семейства Р5. Он представляет собой 32-разрядный процессор, построенный по субмикронной (0.80-микронной) технологии и состоящий из более, чем 3 млн. транзисторов. Он поддерживает команды процессора 80486 и также имеет внутренний блок для вычислений с плавающей точкой. Кроме того, он имеет внутреннюю кэш-память (L1) на 16 Кб, устройство управления памятью MMU и интеллектуальный буфер предсказания ветвлений. Адресное пространство достигает 4 Гб. Тактовые частоты процессора Pentium (Р5) составляют 60 и 66 Мгц.
Одной особенностью, позволяющей повысить его производительность, является 64-разрядная шина. При этом центральный процессор имеет две конвейерные линии обработки команд, работающие параллельно и тем самым позволяющие процессору выполнять две команды за один такт.
Другим фактором повышения производительности процессора Pentium является наличие в нем нового блока вычислений с плавающей точкой, в котором операции выполняются в 4-8 раз быстрее, чем в процессоре 80486.
Развитием этого семейства стал процессор Pentium (Р54), построенный по 0,50-микронной, а затем по 0,35-микронной технологии. Тактовые частоты его ядра составляют 75 – 200 Мгц, а шины – 5 - 66 Мгц. Впервые кэш-память была разделена на данные (8 Кб) и инструкции (8 Кб).
В 1997 г. появился процессор Intel Pentium MMX (Р55). Новая технология ММХ вместо последовательной обработки данных байт за байтом может одновременно обрабатывать 8 байтов графических данных. В результате эффективность работы мультимедийных программ увеличивается в 1.5 раза. Повышенная частота смены кадров также улучшает восприятие изображений. Pentium MMX (Р55) изготовлен по технологии 0,35 мкм. Объем кэш-памяти был увеличен в два раза (32 Кб). Система команд процессора расширилась 57 новыми командами, ускоряющими вычисления при обработке изображений и звука. Внутренняя тактовая частота изменяется от 166 до 233 Мгц при частоте работы шины в 66 Мгц.
В 1995 г. фирмой Intel был выпущен процессор нового поколения Рentium РRO (Р6). Впервые появилась кэш-память второго уровня (L2), объединенная в одном корпусе с ядром и работающая на одной частоте с ядром процессора. На тот момент времени процессоры имели очень высокую себестоимость изготовления. Выпускались сначала по технологии 0,50 мкм, а затем по 0,35 мкм, что позволило увеличить объем кэш-памяти L2 с 256 до 2048 Кб. Тактовая частоа – от 150 до 200 МГц. Частота шины – 60 и 66 Мгц. Кэш-память L1 – 16 Кб.
В качестве недостатков следует отметить высокую стоимость и энергопотребление, а также отсутствие ощутимого прироста производительности при работе с DOS и Windows. Повышение производительности процессора Р6 наиболее проявляется при работе с Windows NT и OS/2. Рentium РRO (Р6) работает только в специальной системной плате, насчитанной на работу только с ним, которая стоит относительно дорого. Архитектура процессора Рentium РRO (Р6) значительно опередила свое время. В дальнейшем все его новшества унаследованы процессором Pentium II.
В 1997 г. появился Процессор Pentium II (Р6). Если считать, что процессор Pentium MMX есть обычный процессор Pentium только с MMX-расширениями в наборе команд, то можно сказать, что Pentium II это усовершенствованный процессор Рentium РRO с MMX-расширениями. Как и в Pentium РRO, процессор Рentium II обладает кэш-памятью второго уровня. Однако в целях снижения стоимости процессора, фирма Intel вынесла его за пределы кристалла. Процессор Pentium II поставляется в специальном картридже, включающем собственно процессор и микросхемы кэш-памяти общим объемом 512 Кб, размещающиеся рядом на печатной плате. Все это закрыто в пластиковом корпусе, одна из стенок которого выполнена из металла для отвода тепла. Вставляется этот картридж не в привычную розетку, а в специальный слот. Семейство этих процессоров объединяет под общим именем несколько моделей процессоров: Klamath, Celeron, Dixon и др. Изготавливаются по технологии 0,35, 0,25 и 0,18 мкм Тактовые частоты процессора Pentium II равны 233 – 1200 Мгц.
В начале 1999 г. появился процессор семейства Pentium III. В нем используется ряд новых потоковых команд, позволяющих с помощью одной инструкции обрабатывать несколько однотипных массивов данных. Предусмотрен дополнительный блок из восьми 128-разрядных регистров для таких инструкций. В результате можно получить до четырех результатов с плавающей запятой за один цикл. Появились также новые инструкции для управления кэш-памятью. Однако основная архитектура процессора практически совпадает с архитектурой процессора Pentium II.
Разработчики Pentium III предусмотрели функцию порядковой нумерации процессора специальным 64-разрядным номером. Это, однако, вызвало неоднозначную реакцию со стороны пользователей. Процессоры Pentium III разработаны по технологии 0,13 мкм. Его тактовые частоты 450 – 1133 Мгц. Кэш первого уровня равен 32 Кб, а кэш второго уровня – 512 Кб. Pentium III поддерживает внешнюю тактовую частоту 100 – 133 МГц.
В 2000 году появился процессор Pentium IV. Он разработан по технологии 0,13 мкм и имеет тактовые частоты до 2,2 Ггц.
Серьезным конкурентом фирмы Intel является в последнее время фирма AMD. Она впервые потеснила процессоры фирмы Intel еще в начале 90-х годов своими более дешевыми моделями процессоров 80486.
Затем в качестве конкурентов процессорам Pentium фирма AMD выпустила свои процессоры К5 с тактовой частотой 75 – 166 Мгц.
Процессоры К6 были выпущены в качестве конкурентов процессорам Pentium II.
Процессоры К7 - первые процессоры, архитектура которых отличается от Intel. Объем кэш-памяти L1 – 128 Кб. Кэш-память L2 (512 Кб) работает на частотах, в 2 –3 раза ниже частоты процессора. Тактовая частота шины – 100 Мгц. Кодовое название процессоров, созданных по архитектуре К7, К75, К76, Thunderbird – Athlon. Разработан по 0,18 мкм-технологии. Он имеет тактовые частоты до 1800 Мгц. Другая линейка процессоров под именем Duron является конкурентом процессора Celeron. Процессоры Duron обладают большей производительностью при равных рабочих частотах, и имеют при этом меньшую стоимость. Тактовые частоты процессоров Duron достигают 1000 Мгц.
Имеются разработки 64-разрядных процессоров (Mercsd, Itanium, McKinley, Hammer), которые, однако еще не вышли на массовый рынок.