2.4.1. Процессоры, выпускаемые фирмой Intel

Несмотря на то, что первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple, сейчас персональными компьютерами называют в основном IBM PC-совместимые компьютеры. Это связано, прежде всего, с тем, что фирма IBM выбрала правильную рыночную политику: она не скрывала принципов устройства своих компьютеров и не патентовала основных решений. В результате многие производители стали выпускать совместимые компьютеры, и они быстро стали фактическим стандартом.

С самого начала фирма IBM ориентировалась на процессоры Intel. У этих процессоров были очень мощные конкуренты, например, процессоры фирм Motorola или Zilog, превосходившие процессоры Intel по многим параметрам, но именно благодаря персональным компьютерам процессоры Intel смогли выйти победителями в конкурентной борьбе. К тому же еще некоторые фирмы (например, AMD, VIA, Cyrix) выпускают Intel-совместимые процессоры. Поэтому мы рассмотрим основные особенности процессоров фирмы Intel. Это позволит нам также проследить основные тенденции в развитии процессоров за последние десятилетия.

Архитектура процессора Intel Pentium 4

Рассмотрим микроархитектуру процессора Intel Pentium 4, который был анонсирован корпорацией Intel в августе 2000 года. Отличительной особенностью процессоров семейства Intel Pentium 4 является их беспримерно длинный конвейер (Hyper-Pipelined Technology). Архитектура, заложенная в процессоре Intel Pentium 4 , получила название Intel NetBurst.

Кроме того, в схеме предпроцессора появился новый элемент - кэш L1 декодированных микроинструкций с отслеживанием исполнения (Trace Cache). Наличие такого кэша - это одна из составляющих архитектуры данного процессора.

При работе процессора инструкции выбираются из кэш - памяти L2, транслируются в команды х86 и декодируются. При этом с учётом того, что конвейер имеет много ступеней и должен быть достаточно быстрым, при декодировании инструкции разбиваются на более мелкие микрокоманды, которые затем поступают в Trace Cache.

Для выборки команд из кэш-памяти L2, их транслирования в команды х86 и последующего декодирования отводится несколько начальных ступеней конвейера (восемь ступеней). Соответственно, при выполнении фрагмента программного кода для декодирования команд будет использовано восемь процессорных тактов.

Однако во многих современных (прежде всего, мультимедийных) приложениях один и тот же фрагмент кода может повторяться многократно. В этом случае тратить процессорные такты на повторную выборку, транслирование и декодирование было бы нерационально. Выгоднее хранить уже готовые к исполнению микроинструкции в специальном кэш-памяти L1, где из них формируются мини-программы, называемые отслеживаниями (traces).

При попадании в кэш L1 происходит внеочередное выполнение команд; при этом значительно экономятся ресурсы процессора, так как по своей сути внеочередное выполнение команд подразумевает устранение восьми первых ступеней конвейера, фактическая длина которого в этом случае составляет уже 20 ступеней. В кэш-памяти с отслеживанием может храниться до 12 000 декодированных микрокоманд (при этом заметим, что в процессоре Intel Pentium 4 процент попадания в кэш составляет более 90%).

Для того чтобы обеспечить высокий процент попаданий в кэш L1 с отслеживаниями (Trace Cache) и построение в нём мини-программ, используется специальный блок предсказания ветвлений (Branch Targets Buffers, ВТВ и Instruction Translation Look-aside Buffers, I-TLB). Этот блок предсказания позволяет модифицировать мини-программы, основываясь на спекулятивном предсказании. Так, если в программном коде имеется точка ветвления, то блок предсказаний может предположить дальнейший ход программы вдоль одной из возможных ветвей и с учетом этого спекулятивного предсказания построить мини-программу. Кроме того, с кэш-памятью L1 связан также буфер ветвлений (ВТВ) размером 4 Кбайт.

Технология использования кэш-памяти с отслеживанием вкупе с усовершенствованным алгоритмом предсказания получила название Advanced Dynamic Execution и является составляющей частью технологии NetBurst.

Теперь рассмотрим процесс продвижения микроинструкций по основному конвейеру, то есть когда процессор работает в режиме внеочередного выполнения инструкций.

В течение первых двух тактов в Trace Cache передается указатель на следующие выполняемые инструкции - это первые две ступени конвейера, называемые Trace Cache next instruction pointer.

После получения указателя в течение двух тактов происходит выборка инструкций из кэша (Trace Cache Fetch) - это две следующие ступени конвейера. После этого выбранные инструкции должны быть отосланы на внеочередное выполнение.

На следующих трёх ступенях конвейера, называемых Allocate & Rename, происходит переименование и распределение дополнительных регистров процессора. В процессоре Intel Pentium 4 содержится 128 дополнительных регистров, которые не определены архитектурой набора команд. Переименование регистров позволяет добиться их бесконфликтного существования.

На 9-й ступени конвейера формируются две очереди микрокоманд: очередь микрокоманд памяти (Mem Queue) и очередь арифметических микрокоманд (Int/ FP Queue).

На следующих трёх ступенях конвейера происходит планирование и распределение (Schedule) микрокоманд.

Планировщик выполняет две основные функции:

- переупорядочивание микрокоманд;

- распределение их по функциональным устройствам.

Суть переупорядочивания микрокоманд заключается в том, что планировщик (Scheduler) определяет, какую из микрокоманд уже можно выполнять, и в соответствии с их готовностью меняет порядок их следования.

Распределение микрокоманд происходит по четырем функциональным устройствам, то есть формируются четыре очереди. Первые две из них предназначены для устройств памяти (Load/Store Unit). Эти очереди формируются из очереди памяти Mem Queue.

Следующие две ступени конвейера - этап диспетчеризации (Dispatch). На этих ступенях инструкции попадают на один из четырех портов диспетчеризации (dispatch ports), которые выполняют функцию шлюзов к функциональным устройствам.

После того как инструкции пройдут порты диспетчеризации, они загружаются в блок регистров для дальнейшего выполнения. Для этого предназначены следующие две ступени процессора, называемые Register Files.

Таким образом, после загрузки инструкций в блок регистров все готово для непосредственного выполнения команд. Процесс непосредственного выполнения инструкций в исполнительных устройствах происходит на следующей, семнадцатой, ступени конвейера, которая называется Execute.

Следующие три ступени конвейера: ступень изменения состоянии флагов (Flags) - если результат выполнения инструкции этого требует; ступень проверки ветвления (Branch Check), на которой процессор узнает, сбылось ли предсказание ветвления.

Как мы уже отмечали, в процессорах на ядре Prescott длина конвейера была увеличена с 20 до 31 ступени. Причина увеличения длины конвейера заключается в том, что поскольку многие команды являются довольно сложными и не могут быть выполнены за один такт процессора, особенно при высоких тактовых частотах, то каждая из четырех стадий обработки команд (выборка, декодирование, выполнение, запись) должна состоять из нескольких ступеней конвейера. Кроме того, в конвейер преднамеренно вставляются так называемые пустые ступени (Drive), на которых не происходит обработка инструкции.

Эти пустые (или передаточные) ступени необходимы для того, чтобы при высоких тактовых частотах сигнал успевал во время одного такта распространиться от одного исполнительного блока к другому.

Напомним, что при частотах свыше 3 ГГц время одного такта составляет менее 3 нс. За столь короткий промежуток времени свет в вакууме успевает пройти расстояние менее 1 см, а поскольку скорость распространения сигналов в кристалле существенно ниже скорости света, то при высоких тактовых частотах неизбежно приходится вводить пустые ступени конвейера для передачи сигнала.

Процессоры фирмы Intel

Процессоры фирмы Intel можно классифицировать по типам, которые указаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Модель	Тактовая частота, МГц	Разрядность	Год выпуска
8088	4-8	16	1978
80286	8-20	16	1982
80386	20-40	32	1985
80486	20-100	32	1989
Intel Pentium	60-150	64	1993
Intel Pentium Pro	100-200	64	1995
Intel Pentium II	233-300	64	1997
Intel Pentium III	450-500	64	1999
Intel Pentium IV	до 2800	64	2001
Intel Pentium 4 660	3600/ FSB800	64	2004
Intel Celeron D	2000/ FSB800	64	2005
Intel Celeron E 1200	1600/ FSB800	64	2006
Intel Core 2 Duo	2600/ FSB1066	64	2006
Intel Core 2 Guad	3166/ FSB1333	64	2007
Intel Core 2 Extreme	3200/ FSB1600	64	2007

Свой первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти (то есть имел 20-разрядную шину адреса), производительность его при тактовой частоте 5 МГц составляла 0,33 MIPS, но вскоре появились процессоры с тактовой частотой 8 и 10 МГц. Чуть позже (через год) была выпущена упрощенная версия процессора i8086 - i8088, который отличался только 8-разрядной внешней шиной данных.

За счёт этого он был медленнее, чем i8086, на 20-60% при той же тактовой частоте, но зато заметно дешевле. Именно на его основе был собран очень популярный персональный компьютер IBM PC XT.

16-разрядный процессор i80286, выпущенный в 1982 году, был использован в персональных компьютерах IBM PC AT. Принципиально новым было в нём то, что он мог адресовать до 16 Мбайт памяти и имел помимо реального режима, аналогичного i8086, еще и так называемый защищенный режим, позволяющий более гибко управлять памятью. Производительность этого процессора при тактовой частоте 8 МГц составляла 1,2 MIPS.

Важным шагом стало появление в 1985 году полностью 32-разрядного процессора i80386, способного адресовать до 4 Гбайт памяти (32-разрядная адресная шина). Он имел еще более развитую систему управления памятью MMU (Memory Management Unit). Производительность его при тактовой частоте 16 МГц составляла 6 MIPS. С появлением этого процессора стала бурно развиваться операционная система MS Windows, существенно изменившая процесс работы с компьютерами типа IBM PC.

Ещё одним принципиальным шагом стало создание в 1989 году процессора Intel 486DX, в котором появились встроенный математический сопроцессор, существенно ускоривший выполнение арифметических операций, и внутренняя кэш-память, ускоряющая обмен с оперативной памятью. Максимальный объем адресуемой памяти этого процессора- 4 Гбайт. На тактовой частоте 25 МГц производительность была 16,5 MIPS. Начиная с процессора 486, получило распространение так называемое умножение тактовой частоты, то есть внутреннее удвоение и даже учетверение внешней тактовой частоты (обозначается 486DX2, 486DX4).

В 1995 году появились первые процессоры Pentium, открывшие новый этап в развитии семейства. Они были 32-разрядными внутри, но имели 64-разрядную внешнюю шину данных. Принципиальным отличием было использование в них так называемой суперскалярной архитектуры, следствием чего стало более высокое быстродействие при той же тактовой частоте, что и i486DX. При тактовой частоте 66 МГц производительность процессора достигала 112 MIPS. В 1996 году тактовая частота Pentium была доведена до 200 МГц, а стоимость снизилась настолько, что он стал рядовым процессором персональных компьютеров семейства IBM PC.

В 1997 году Pentium был дополнен технологией MMX, призванной ускорять выполнение мультимедийных приложений (обработку изображений и звука). И в этом же году появился процессор Pentium II, который включает в себя технологию ММХ и имеет более высокое быстродействие. Возможная тактовая частота достигла 400 МГц.

В последние годы появились процессоры Pentium III и Pentium IV, имеющие еще более развитую архитектуру и тактовую частоту, превышающую 1 ГГц у Pentium III и 3 ГГц у Pentium IV.

Таким образом, содружество компании Intel и производителей IBM-совместимых персональных компьютеров успешно продолжается. Другие фирмы, выпускающие процессоры, вряд ли существенно потеснят в ближайшие годы Intel. Поэтому рассмотрим чуть подробнее характерные особенности процессоров для персональных компьютеров этой компании.

Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT использовали микропроцессор Intel-8088. В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, затем были созданы модели с тактовой частотой 8, 10 и 12 МГц. Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются TURBO-XT. Сейчас микропроцессоры типа Intel-8088 производятся в небольших количествах, и для использования не в компьютере, а в различных специализированных устройствах.

Модель IBM PC AT использовала более мощный микропроцессор Intel-80286, и её производительность приблизительно в 4-5 раз больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на микропроцессорах с тактовой частотой от 12 до 25 МГц. Микропроцессор Intel-80286 имел несколько больше возможностей по сравнению с Intel-8088, но эти дополнительные возможности использовались очень редко, так что большинство программ, работающих на AT, работали и на XT. Сейчас микропроцессоры типа Intel-80286 считаются устаревшими и для применения в компьютерах не производятся.

В 1988-1991 годах большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном микропроцессоре Intel-80386, разработанным фирмой Intel в 1985 году. Этот микропроцессор (называемый также 80386DX) работал в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Обычный диапазон тактовой частоты 80386DX - от 25 до 40 МГц.

Микропроцессор Intel-80386 не только работал быстрее Intel-80286, но и имеет значительно больше возможностей, в частности, он содержал мощные средства для 32-разрядных операций (в отличие от 16-разрядных 80286 и 8088).

32-битная архитектура 80386 обладает следующими дополнительными свойствами:

- высокопроизводительная технология;

- обеспечение работы с виртуальной памятью;

- механизмы защиты;

- расширенное отладочное обеспечение.

Микропроцессор 80386 имел полную систему команд для операций над типами данных, а также для управления выполнением программ, это CISC-процессор. Способы адресации 80386 обеспечивали эффективный доступ к элементам стандартных структур данных: массивов, записей, массивов записей и записей, содержащих массивы.

Сопроцессор

Обработка больших чисел, в особенности в арифметических операциях с плавающей запятой с одинарной и двойной точностью требует для реализации несколько тысяч транзисторов. В этих целях в 80386 имелось аппаратное обеспечение совместной работы с отдельным математическим сопроцессором.

Для прикладного программного обеспечения сопроцессоры прозрачны, они лишь расширяли архитектуру 80386 с помощью регистров, типов данных и операций.

Однако получившая широчайшее распространение начиная с 1990 - 91 годов операционная оболочка Windows фирмы Microsoft резко увеличила требования к вычислительным ресурсам компьютера, и во многих случаях работа Windows-программ на компьютере с микропроцессором Intel-80386 оказалась слишком медленной. Поэтому в течение 1991-1992 годов большинство производителей компьютеров переориентировались на использование более мощного микропроцессора Intel-80486 (или 80486DX). Этот микропроцессор мало отличался от Intel-80386, но его производительность в 2-3 раза выше. Среди его особенностей следует отметить встроенную кэш-память и встроенный математический сопроцессор.

Микропроцессоры Pentium

В 1993 году фирмой Intel был выпущен новый микропроцессор Pentium. Этот микропроцессор мощнее, особенно при вычислениях над вещественными числами.

Для увеличения производительности в Pentium применены и другие усовершенствования:

- более быстрая и более широкая магистраль передачи данных (шина данных);

- большой размер встроенной кэш-памяти;

- возможность выполнения двух инструкций одно временно.

Микропроцессоры Pentium работали в 1,5-2 раза быстрее микропроцессоров типа 80486 с той же тактовой частотой.

Эти микропроцессоры имели пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд и кэш-буфер для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ.

По эффективному быстродействию микропроцессоры Pentium приближались к RISC- процессорам, выполняющим каждую команду как бы за один такт.

Процессоры Pentium имели 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой выполнялся со скоростью 1 Гбайт/с.

У всех МП Pentium имелась встроенная кэш-память, отдельно для команд, отдельно для данных по 8-16 Кбайт, и встроенный контроллер кэш-памяти 2-го уровня, имелись специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, существенно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой.

Микропроцессоры Pentium Pro

В 1995 году выпущены микропроцессоры шестого поколения 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro. Микропроцессор состоял из двух кристаллов: собственно МП и кэш-памяти. Новые схемотехнические решения обеспечили для ПК более высокую производительность.

Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение».

«Динамическое исполнение» (dynamic execution) – это наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры, предсказания ветвлений программы при условных передачах управления и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления.

Предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction) –это технология множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям.

Исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution) – это технология выполнения нескольких команд или инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности, т. е. по предположению.

Поясним это. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед.

Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций независимо от порядка их следования в тексте программы.

И, наконец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы за счёт выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности - то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалением тех, которые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального.

Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битовых конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер.

Технология поточной обработки Hyper Pipelined – это технология создания длинного конвейера в инструкциях с частыми условными переходами для увеличения эффективности исполнения.

Два параллельных конвейера снижение эффективности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или нескольких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) исполняется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 тактов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выполнены за такт.

Новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine) использует два быстрых, работающих на удвоенной частоте процессора АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье медленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.).

В процессоре Pentium Pro были и кэш память 1-го уровня (по 8 Кбайт для команд и данных) и кристалл кэш-памяти 2-го уровня ёмкостью 256 или 512 Кбайт, расположенный тоже на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней частоте МП.

Микропроцессоры Pentium MMX и Pentium II

В январе и в июне 1997 года появились модернизированные для работы в мультимедийной технологии микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, получившие торговые марки соответственно Pentium MMX (MMX — MultiMedia eXtention) и Pentium II. МП Pentium MMX содержал дополнительные 57 команд, ориентированные на обработку аудио- и видеоинформации, увеличенную вдвое (до 32 Кбайт) кэш-память, дополнительные восемь 64-битовых регистров, новый блок предсказания ветвлений.

МП Pentium II имел иную конструкцию, нежели все остальные МП, в частности, он выполнен в виде небольшой платы-картриджа (корпус SECC), на которой размещены сам процессор (содержащий 7,5 млн транзисторов против 5,5 млн в МП Pentium Pro) и четыре микросхемы кэш-памяти 2-го уровня, общим объёмом 512 Кбайт. Кэш-память 1-го уровня, находящаяся в микросхеме самого процессора, имеет ёмкость 32 Кбайта, но кэш-память 2-го уровня работает не на внутренней частоте МП, а на вдвое меньшей частоте.

Важным отличием Pentium II являлась архитектура двойной независимой шины (первые варианты введения такой шины были уже у МП Pentium Pro). Процессор обменивался данными с кэш-памятью L2 по специализированной высокоскоростной шине (иногда называемой backside - задней), отделённой от системной шины (frontside- передней). Системная шина работала на частоте материнской платы, и это существенно снижало эффективное быстродействие компьютера. Наличие же backside-шины ускоряло обмен с кэш-памятью.

Микропроцессор Pentium II поддерживал двухпроцессорную конфигурацию компьютера. В МП Pentium Pro и Pentium II появилась качественно новая перспектива: начали внедряться так называемые инструкции SIMD (Single Instruction Multiply Data), в которых одно и то же действие совершается над многими данными (эта технология получит развитие в следующих моделях МП).

Микропроцессоры Pentium II имели много модификаций: Klamath, Deschutes, Katmai, Tanga; МП средней группы Celeron - Covington, Mendocino, Dixon.

Для более дешёвых компьютеров предложили облегчённый вариант процессора, названный Celeron.

Процессор Celeron имел следующие отличия от Pentium II:

- разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 битов (адресуемая память - 4 Гбайт);

- несколько ослаблены процедуры контроля достоверности преобразования информации;

- Celeron предназначен только для однопроцессорных конфигураций.

Микропроцессоры Pentium III

В 1999 году появились процессоры Pentium III (ядро - Coppermine). Их главным отличием являлось основанное на новом блоке 128-разрядных регистров расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой SSE (Streaming SIMD Extensions).

Кэш 2-го уровня у микропроцессора Pentium III имел размер 256 Кбайт, работал на полной частоте и обслуживался быстродействующей backside-шиной, что во много раз ускоряло как работу с кэш-памятью, так и производительность компьютера в целом.

Микропроцессоры Pentium III предназначены для работы с материнскими платами, имеющими чипсеты (набор микросхем, связывающих процессор с остальной системой) Intel.

В марте 2001 года Intel выпустила процессор Xeon 900 МГц - он стал последним членом семейства Pentium III. Этот процессор оснащён 2-Мбайт кэш-памятью второго уровня, что повышает его производительность.

«Простые» Pentium III устанавливаются в Slot I, а Pentium III Xeon устанавлмвался в Slot 2. Процессоры Pentium III Xeon являлись продолжением линии МП Pentium Pro и отличаются увеличенным кэшем 2-го уровня (512, 1024 и 2048 Кбайт), работающим на полной частоте МП.

В процессор Pentium III были добавлены новые инструкции. Этот набор команд, с кодовым названием Katmai New Instructions, нацелен на повышение производительности обработки графики. Кроме того, он ускорял работу приложений видео, аудио, распознавания речи и других подобных технологий.

Микропроцессоры Pentium 4

Последняя на 2000 год модификация МП Pentium - Pentium 4. Она предназначена для высокопроизводительных компьютеров, в первую очередь серверов, рабочих станций класса high-end и мультимедийных игровых персональных компьютеров.

Выше была рассмотрена микроархитектура этого процессора.

В 2002-2003 годах корпорация Intel представила:

- семейство МП Pentium 4 Tualatin на основе технологии 0,13 мкм с улучшенными по сравнению с Coppermine характеристиками (тактовые частоты до 1266 МГц, кэш-память L2 ёмкостью до 512 Кбайт, работающая на частоте микропроцессора, с поддержкой частоты системной шины (FSB) до 133 МГц).

- семейство МП Celeron с тактовыми частотами 2,3 и 2,4 ГГц, изготовленные по технологии 0,13 мкм и поддерживающие FSB = 400 МГц;

- новое поколение МП Pentium 4, поддерживающее FSB = 800 МГц с собственными тактовыми частотами 3,0 и 4,3 ГГц и системный чипсет i875 для этих МП;

- технологию Intel Centrino для портативных компьютеров с компонентами: МП Pentium M, системный чипсет i855 и средства беспроводного доступа по протоколу IEEE 802.11b - Intel PRO/Wireless.

Конечно, перечисление всех моделей процессоров Intel Pentium 4 заняло бы слишком много места. Различаются эти модели не только частотой, но и типом корпуса, технологическим процессом производства, напряжением питания ядра процессора, мощностью тепловыделения, максимальной температурой корпуса и степпингом.

Важной характеристикой процессора является его частота. Интуитивно всем понятно, что чем выше тактовая частота, тем лучше. Отчасти это действительно так: тактовая частота процессора определяет его производительность, поскольку чем выше частота, тем больше элементарных операций процессор способен совершать за единицу времени. Что касается диапазона тактовых частот процессора Intel Pentium 4, то он достаточно обширен - от 1,3 до 3,2 ГГц.

Следующий важный момент - это поддерживаемая частота системной шины процессора. Процессор Intel Pentium 4 выпускался с частотой 400 МГц и FSB 533 МГц, ибо чем выше частота системной шины, тем выше пропускная способность (полоса пропускания) шины, связывающей процессор с северным мостом чипсета (по сути, со всеми остальными компонентами).

Немаловажной характеристикой процессора является технологический процесс производства. Для процессоров Intel Pentium 4 - это либо 0,18-микронный, либо 0,13-микронный технологический процесс.

Процессор Intel Pentium 4 HT стал первым процессором в модельном ряду с поддержкой технологии Hyper-Threading (о чём и говорят буквы HT в названии процессора).

Технология Hyper-Threading позволяет процессору работать в многопотоковом режиме, выполняя одновременно несколько различных задач. Достигается такой эффект благодаря наличию двух наборов программных регистров (правда, исполнительный конвейер используется всего один). В результате операционная система видит в компьютере не один, а два логических процессора со всеми вытекающими отсюда преимуществами.

Использование технологии Hyper-Threading позволяет повысить производительность процессора в среднем на 15%, а это очень существенно. Ожидается, что в дальнейшем компания Intel реализует поддержку технологии Hyper-Threading и в процессорах с меньшими тактовыми частотами.

Описанные выше процессоры Intel Pentium 4 с тактовыми частотами до 3,06 ГГц - это прошлое поколение процессоров. При этом, вероятно, тактовая частота в 3,06 ГГц является предельной для модельного ряда, выполняемого по 0, 13-микронной технологии.

Основные типы ядер процессоров, выпускаемых фирмой Intel:

- Northwood;

- Willamette;

- Conroe-L и Conroe;

- Cedar Mill;

- Allendale;

- Wolfdale;

- Kentsfield;

- Yorkfield.

Далее рассмотрим типы некоторых процессоров, их основные характеристики для того, чтобы ориентироваться в огромном множестве выпускаемых процессоров.

В дальнейшем эти знания пригодятся, когда нужно будет самостоятельно выбрать оптимальную конфигурацию компьютера в соответствии с задачами, которые предстоит решать.

Intel Celeron D /D420/ D440.

Высокая производительность требуется не всем, и для многих приложений вполне достаточно использовать процессор Intel Celeron D. В настоящее время выпускается несколько версий процессоров Intel Celeron, различающихся тактовыми частотами и технологическим процессом производства. Все современные процессоры Intel Celeron поддерживают частоту системной шины FSB 800 МГц и имеют кэш второго уровня L2 размером 512Кбайт. В остальном микроархитектуры процессоров Intel Pentium 4 и Intel Celeron совпадают. Нужно отметить, что указанные процессоры Intel Celeron D имеют одно ядро (Conroe-L, Cedar Mill).

Есть процессор Intel Celeron E 1200 – это процессор двухядерный, сокет- 775, тактовая частота-1800 МГц, технологический процесс такой же, как Intel Celeron D, - 65 нм.

Intel Pentium Е2160/Е2180/ Е2200 – это двухядерные процессоры. Частота системной шины - FSB 800 МГц, кэш второго уровня L2 размером 1024 Кбайт, тактовая частота- 2000 МГц, ядра - Conroe-L, технологический процесс - 65 нм.

Intel Core 2 Duo Е (4500, 4600, 7200, 8400 ) – это двухядерные процессоры. Частота системной шины - 800 МГц, кэш второго уровня L2 размером 2048 Кбайт, а в моделях: Intel Core 2 Duo Е 7200 с ядрами «Wolfdale» частота системной шины - FSB 1066 МГц, тактовая частота 2533 МГц, кэш второго уровня L2 размером 3072 Кбайт; Intel Core 2 Duo Е 8400 частота системной шины FSB 1333 МГц, тактовая частота 3000 МГц, а кэш второго уровня L2 размером 6144 Кбайт. Технологический процесс - 45 нм, тип сокета-775.

Intel Core 2 Quad Q6600/ Q6700/Q9300/ Q9450/ - это четырёхядерные процессоры для высокопроизводительных компьютеров.

Intel Core 2 Quad имеют частоту системной шины – от FSB 1066МГц до 1333 МГц, тактовую частоту - от 2400 МГц до 2833 МГц, объём L2- кэш – от 8192 до 12 288 Кбайт. Название ядра «Kentsfield».

Intel Core 2 Extreme QX 9650/ QX 9770 - это четырёхядерные процессоры для высокопроизводительных компьютеров.

Процессоры Intel Core 2 Extreme – это на сегодняшний день самые мощные процессоры, выпущенные фирмой Intel. Название ядра «Yorkfield». Частота системной шины – FSB 1333 МГц и 1600 МГц, тактовая частота – 3000 МГц и 3200 МГц, объём L2- кэш –12 288 Кбайт.

Наиболее оптимальными вариантами по показателю «цена/качество» являются Intel Core 2 Duo Е 7200 и Intel Core 2 Duo Е 8400.

Основные характеристики процессоров Intel Core 2 Duo E8500 и Intel Core 2 Extreme QX9770 представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Процессор	Core 2 Duo E8500	Core 2 Extreme QX9770
Название ядра	Wolfdale	Yorkfield
Технология производства	45 нм	45 нм
Частота ядра, ГГц	3,16	3,2
Кол-во ядер	2	4
Кэш L1, I/D, Кб	32/32	32/32
Кэш L2, Кб	6144	2x6144
Кэш L3, Кб	—	—
Частота шины, МГц	333 (1333)	400 (1600)

Новый процессор Intel линейки Core i7

Рассмотрим самую нижнюю модель Core i7 920. Данный процессор отличается от топовой модели Core i7 Extreme меньшей частотой (2,66 ГГц против 3,20 ГГц) и меньшей пропускной способностью шины QPI (4,8 GT/s против 6,4 GT/s).

Основной чертой новой архитектуры стала модульность. Главный модуль ( рисунок 2. 2) представляет собой классический одноядерный x86-процессор: он состоит из исполнительного ядра, кэша 1-го уровня размером 64 КБ, поделенного на 2 равные части для данных и инструкций и кэша 2-го уровня размером 256 КБ.

Рис. 2.2. Главный модуль процессора Core i7 920.

Прочие блоки процессора Core i7 920 могут быть следующими:

- разделяемый кэш 3-го уровня;

- контроллер памяти;

- контроллер шины QPI (QuickPath Interconnect);

- контроллер шины PCI Express (пока не реализовано);

- контроллер энергопотребления (PCU) и генератор частот;

- контроллер интегрированной графики (по некоторым данным, будет располагаться в одном корпусе с процессором, но на отдельном кристалле).

Данный набор базовых элементов является демонстрацией ближайших намерений Intel по дальнейшему усовершенствованию архитектуры. В процессор вошёл контроллер интегрированной графики, на данный момент ни в одном процессоре Core i7 ещё не присутствующий. Всё это вместе может комбинироваться произвольным образом, причём допускается как наличие или отсутствие определённых модулей, так и различное их количество внутри процессора.

Для установки на плату новых процессоров Core i7 и Core i7 Extreme Edition требуется новый сокет - Socket 1366 (вместо нынешнего Socket 775). Вполне ожидаемо, бóльшая часть новых контактов в сокете нужна для обеспечения связи процессора с модулями памяти; также значительно увеличили свое представительство контакты питания/земли и некие зарезервированные контакты .

Совместимость процессоров на программном уровне означает, когда два процессора имеют одинаковую систему команд. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Семейства процессоров – это группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III, Pentium 4 и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» - это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.