5180

61

4.2. Процессоры Intel. История процессоров Intel

Архитектура Intel стала стандартом «де-факто» современной компьютерной индустрии после того, как в 1981 г. компания IBM выбрала для своего первого персонального компьютера IBM PC процессор Intel 8088. Основополагающими факторами такой популярности Intel считает полную совместимость программного обеспечения, разработанного под Intel процессоры, и все более серьезные увеличения производительности, предлагавшиеся с выходом новых поколений процессоров.

Родоначальниками процессорной архитектуры Intel являлись 16-разрядные процессоры 8088 и 8086, причем объектный код, разработанный в расчете на них в 1978 г., и поныне без проблем исполняется на самых последних процессорах 32разрядной архитектуры.

Процессор 8086 имел 16-разрядные регистры общего назначения, 16разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса, что позволяло ему оперировать адресным пространством в 1 МБ. Отличие процессора 8088 заключалось в 8-разрядной шине данных.

Процессор 80286 привнес в архитектуру Intel защищенный режим. В нем содержимое сегментных регистров используется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, которые давали возможность 24-разрядной адресации, что составляло 16 МБ адресного пространства. К тому же появилась возможность 4 уровня защиты кода операционной системы от приложений и защита приложений друг от друга.

62

Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором. В архитектуру введены 32-разрядные регистры общего назначения, подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и верхняя половины сохранили возможность работы в качестве самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного выполнения кода, созданного под ранние процессоры, на 32-разрядных процессорах был введен виртуальный х86-режим.

Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор поддерживал адресацию до 4 ГБ памяти. 16-разрядные инструкции, доставшиеся в наследство от предыдущих процессоров, получили возможность работы с 32-разрядными операндами и адресами, а также был добавлен ряд новых 32-разрядных инструкций.

Вархитектуре процессоров Intel поддерживается обратная совместимость с объектным кодом для сохранения совместимости программного обеспечения, но в то же время в каждом новом поколении используются все более эффективные микропроцессорные архитектуры и технологии конструирования. Intel работала по внедрению и соединению сложной техники архитектуры mainframe в микропроцессорную архитектуру. Многие модели параллельной обработки намного усиливали производительность техники, и процессор 80386 был первым процессором, в который включили шесть параллельных стадий, он содержал кэш

синформацией о 32 наиболее часто используемых страницах.

Впроцессор i80486 добавлена возможность параллельного выполнения с помощью расширения блока декодирования инструкции и блока выполнения процессора 80386 в пять конвейерных стадий, где каждая стадия (если нужно) работает параллельно с другими и одновременно может выполняться до пяти инструкций в разных стадиях.

Каждая стадия может выполнить свою работу над одной инструкцией за один такт, то есть процессор i80486 может выполнить работу над одной инструкцией за один такт CPU. Также к процессору i80486 был добавлен 8- килобайтный кэш L1 для увеличения процента инструкций, которые могут быть выполнены за один такт. В процессоре i80486 впервые на чип с CPU был интегрирован блок арифметического устройства с плавающей запятой (FPU) и добавлены новые контакты, биты и инструкции для поддержки более сложных и мощных систем (поддержку L2-кэша и мультипроцессорное).

63

Таблица 9

Процессоры Intel: сравнительные характеристики

64

Позже Intel добавила в процессор i80486 SL Enhanced (расширенный) функции поддержки энергосбережения и другие возможности системного управления. Эти функции были развиты в процессорах i80386SL и i80486SL, которые были специализированы для быстро растущего рынка ноутбуков PC, работающих от батарей. Эти функции включали новый режим управления системой, запускаемый собственным выделенным контактом прерывания, который позволяет управлять системой (такой, как управление энергосбережением. Функции стоп таймер и автоматическая остановка позволяют CPU работать на пониженной частоте (для сохранения энергии) или остановиться (с сохранением текущего состояния).

Процессор Pentium стал первым процессором, в котором была применена суперскалярная архитектура — два конвейера, называвшиеся U и V, позволяли выполнять 2 инструкции за такт. Количество L1–кэша удвоилось (16 Кбайт) — теперь на команды и данные приходилось по 8 КБ, причем кэш данных использовал более эффективную схему с обратной записью. Для эффективного предсказания переходов в циклических конструкциях применялась встроенная таблица ветвлений. В виртуальном х86-режиме в дополнение к 4-килобайтным страницам появилась поддержка 4-мегабайтных страниц. Регистры остались 32разрядными, но некоторые внутренние шины расширились до 64 и даже 128 разрядов. Также 64-разрядной стала внешняя шина данных.

Последний процессор этого поколения, Pentium MMX, привнес в архитектуру расширенный набор команд, позволявший эффективно оперировать упакованными целочисленными данными, находящимися в 64-разрядных ММХрегистрах. Процессор MMX содержал встроенные инструкции по обработке мультимедийных функций.

В 1995 году было представлено семейство процессоров Р6, имевшее уже 3 независимых конвейера. Первым процессором этого семейства был процессор

Pentium Pro.

Принципиальное отличие этого семейства состоит в том, что Р6 преобразует команды х86 во внутренние, RISC-подобные команды, называемые микрокомандами (micro-ops). Это позволяет устранить многие ограничения, свойственные набору команд х86: нерегулярность кодирования команд, операции целочисленных пересылок типа «регистр—память» и переменная длина непосредственных операндов. Шина адреса процессоров Р6 расширилась до 36 разрядов, что позволяет использовать адресное пространство размером до 64 ГБ.

65

В процессор Pentium II к архитектуре процессора Pentium Pro добавлены команды ММХ. Для процессора Pentium II вводится новая спецификация установки в материнскую плату слот 1 и слот 2. В этой новой спецификации кэш L2 выносится из кристалла. Для слота 1 и слота 2 используется ножевое соединение вместо сокета (Socket). В процессоре Pentium II увеличен кэш данных L1 и кэш инструкций L1 до 16 КБ каждый. В процессоре Pentium II размер кэша L2 может быть 256 КБ, 512 КБ и 1 МБ или 2 МБ (только для слота 2). Процессоры слота 1 используют «половинную тактовую частоту» шины, а процессоры слота 2 используют «полную тактовую частоту» шины.

Процессор Pentium III, выпущенный в 1999 году, внес в архитектуру Intel

расширения SSE (Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extensions) —

стали доступны новые 128-разрядные регистры и SIMD-операции над упакованными операндами с плавающей запятой с одинарной точностью.

Очевидный путь повышения производительности — увеличение числа ступеней конвейера и повышение частоты процессора. Но суперконвейерная архитектура имеет серьезный недостаток. При выполнении неправильно предсказанных переходов и операций необходима полная очистка конвейера, которая занимает тем больше времени, чем больше ступеней насчитывает конвейер, причем снижение производительности в некоторых случаях получается просто удручающим.

4.3. Pentium 4

Процессор Pentium 4 можно отнести к седьмому поколению, так как в нем использовано довольно много принципиальных новшеств. Для Pentium 4 Intel разработала новую архитектуру, которую назвала Intel NetBurst MicroArchitecture.

Для того чтобы процессоры могли работать на частотах порядка нескольких гигагерц, Intel увеличила длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology), за счет чего удалось даже при технологических нормах 0,18 мкм добиться работы процессора на частоте в 2 ГГц. Однако из-за такого увеличения длины конвейера время выполнения одной команды в процессорных тактах также сильно увеличивается. Поэтому компания серьезно поработала над алгоритмами предсказания переходов (Advanced Dynamic Execution). Количество предварительно загружаемых инструкций увеличилось до 126 по сравнению с 48 у Pentium III. Буфер, хранящий адреса условных переходов, также увеличился с 512 байт до 4 КБ. Все это позволило увеличить вероятность

66

правильного предсказания переходов на 33%.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты. Два блока АЛУ (арифметикологическое устройство), выполняющих операции над целочисленными данными, работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора.

Кэш 1-го уровня в процессоре также претерпел значительные изменения. В отличие от Pentium III, кэш которого мог хранить команды и данные, Pentium 4 имеет всего 8 КБ кэш-данных. Команды, поступающие на исполнение процессору, сохраняются в так называемом Trace Cache. Там они хранятся уже в декодированном виде, т. е. в виде последовательности микроопераций, поступающих для выполнения в исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша составляет 12000 микроопераций.

Кэш 2-го уровня (L2) в Pentium 4, сделанном на ядре Willamette, остался объемом 256 КБ. Ширина шины кэша L2 составляет 256 бит, но латентность кэша уменьшилась в два раза, что позволило добиться пропускной способности кэша в 48 ГБ при частоте 1,5 ГГц.

Самой интересной особенностью новых процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отличие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel решила оставить его практически без изменений, но зато дополнила его множеством команд для работы с потоками данных. К 70 инструкциям SSE1, работающим с потоковыми данными одинарной точности, добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной 1 —8 байт. Оптимизация программ под SSE2 должна увеличить их производительность

в2—5 раз.

4.4.Конструктивы процессоров

Современные процессоры отличаются большим разнообразием конструктивов. Процессоры Pentium II изготавливались в конструктиве SECC и SEPP. Для этих процессоров был разработан Slot 1 — щелевой разъем с 242 контактами. В этот же слот устанавливаются и процессоры Celeron, и некоторые из Pentium III. Слот позволяет работать с частотой системной шины 66 или 100 М Гц. Для Slot 1 (в Pentium III,-4 не используется) предназначены процессоры с разными названиями «упаковки»:

1. SECC — картридж процессоров Pentium II. Представляет собой печатную плату с установленными компонентами. К микросхемам ядра и кэша

67

прилегает термопластина, распределяющая тепло, к которой снаружи крепится вентилятор (или иное охлаждающее устройство). Спереди картридж закрыт крышкой.

2.SECC 2 – картридж для тех же процессоров, который появился начиная с частоты 350 МГц. От предыдущего отличается тем, что не имеет термопластины – внешние «холодильники» прижимаются прямо к корпусам микросхем ядра и кэша» что снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность охлаждения. Сами процессоры, устанавливаемые на SECC 2, могут быть как в корпусах PLGA (Plastic Land Grid Array), так и в OLGA (Organic Land Grid Array).

3.SEPP (Single Edge Processor Package) — картридж процессоров Celeron,

не имеющий ни термопластины, ни крышки. Внешний радиатор прижимается прямо к корпусу ядра, а микросхем вторичного кэша у процессоров Celeron нет.

В процессорах Celeron идея упаковки в картридж себя изжила — одну микросхему ядра легко упаковать и в обычный корпус со штырьковыми выводами. Так появился Celeron в корпусе PPGA (Plastic Pin Grid Array),

напоминающий по виду Pentium в форм-факторе Socket 370 (по числу выводов). Он имеет 6 полных рядов контактов.

Процессоры Pentium III выпускались в Socket 370, - 423, а Pentium 4

выпускается в конструктиве PPGA (Socket-423, Socket-478), а также новом варианте LGA 775.

4.5. Процессоры Itanium

В конце 2001 года Intel представила Itanium — первый процессор, построенный с использованием архитектуры нового поколения, совместно разработанной двумя компаниями. Хотя эта 64-разрядная архитектура основана на многолетних исследованиях Intel, HP и других компаний и университетов, она радикально отличается от всего, что было до сих пор представлено на рынке.

Intel Itanium не является 64-разрядным расширением 32-разрядной архитектуры х86 компании Intel. Он представляет собой нечто абсолютно новое – передовую архитектуру.

Архитектура Intel Itanium воплощает концепцию EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — вычисления с явным параллелизмом команд). Концепция EPIC разработана совместно фирмами Intel и Hewlett-Packard; по их заявлениям, EPIC — концепция той же значимости, что CISC и RISC. В Itanium используется новый 64-разрядный набор команд, разработанный также совместно фирмами Intel и HP. К тому же Itanium полностью совместим с архитектурой 32-разрядных

68

процессоров. Подобно тому, как 32-разрядные процессоры умели переключаться между защищенным и реальным режимами, так и процессоры Itanium посредством выбора режима выполняют либо инструкции 32-разрядного х86, либо свои 64-разрядные инструкции.

В процессоре Itanium используется методика предположения. Она заключается в том, что инструкции и данные загружаются в процессор (используя процессор как кэш) до того, как они могут понадобиться, а в некоторых случаях, даже если они и не должны понадобиться. Такая ранняя загрузка должна происходить во время простоя процессора. Преимущество этой методики в том, что при совпадении загруженных данных с теми, которые потребовались для дальнейшей работы, исчезает время ожидания на их загрузку из памяти.

Itanium имеет три кэша. Два кэша, L1, L2, находятся на кристалле процессора. Кэш третьего уровня, L3, расположен на картридже и имеет объем 4 МБ.

Довольно большой процент площади кристалла (около 10%) занят модулем работы с плавающей точкой (FPU). Для такой работы у процессора есть 128 82битных регистров. Что дает переход на 64-битный процессор? Одно — это возможность обрабатывать 8-байтную информацию за такт процессора. Кроме процессора, этот режим должна поддерживать системная шина.

Другое — возможность использования 64 бит для адресации памяти. 32битный процессор может адресовать 232 т. е. приблизительно 4,3 млрд байт. А 64битный — 264, т. е. около 18,4 квинтильона байт.

С 2006 года началось производство нового процессора. Официально он называется Intel Core 2 Duo processor E6700, сообщая о себе в тестовой программе: "Intel(R) Core(TM)2 CPU 6700 2.66GHz". Новый модельный ряд процессора от фирмы Intel появился в 2006 году. Его характеристики вместе с другими новейшими процессорами отражены в табл. 10.

Процессоры компании AMD являются альтернативой процессорам компании Intel для IBM совместимых компьютеров. Их основные характеристики приведены ранее изданном учебном пособии1.

1 Раевский Ю. А. Информатика. Развитие компьютерных технологий : учебное пособие. Хабаровск : РИЦ ХГАЭП, 2004. 80 с.

69

Таблица 10 Характеристики последних моделей процессоров

1На оба ядра, но распределение объема кэш-памяти между ядрами происходит динамически.

○ – есть; ● – нет.

Y. Жесткий диск-винчестер

Самый первый жесткий диск появился в США в 1956 году и состоял из пятидесяти 24-дюймовых (60-сантиметровых) пластин. Он позволял хранить всего лишь 4,4 Мбайт данных и имел поистине астрономическую стоимость.

По настоящему компьютер стал персональным только с появлением в системном блоке жесткого диска. Изначально он получил название винчестер в связи с тем, что цифровые размеры и обозначение первого жесткого диска «30/30» случайно совпало с калибром популярной американской винтовки. В

70

1971 году в лабораториях IBM был изобретен флоппи-диск, а в 1973 году IBM представила жесткий диск с кодовым названием Winchester. Поэтому изобретателем жесткого диска для мини-ЭВМ и ПК является компания IBM, которая впервые разработала его для своей модели IBM-3340 (1973 г.). Жесткие диски являются носителями с прямым методом доступа, что обеспечивает высокую скорость доступа к данным (файлам).

В 1980 году компания Seagate представила жесткий диск емкостью 5 Мбайт, имевший форм-фактор 5,25-дюйма. Столь малые по тем временам размеры накопителей позволили использовать их в первых персональных компьютерах. 5,25-дюймовый размер сразу же приобрел широчайшую популярность и применялся в ПК на протяжении многих последующих лет. Первые жесткие диски такого размера объемом в 5 и 10 Мбайт появились на IBM PC XT в 1983 году. Со временем форм-фактор 3,5 дюйма вытеснил 5,25дюймовые диски и получил абсолютное признание в среде настольных ПК, а последние представители форм-фактора 5,25 дюйма были выпущены в 1997–99 годах.

Сегодня основными производителями дисков форм-фактора 3,5 дюйма для настольных компьютеров являются компании Maxtor (и влившиеся в нее

Quantum), Samsung, Seagate, Hitachi (IBM продала этот сектор рынка данной компании) и Western Digital. Что касается всех прочих производителей, то они выпускают жесткие диски меньших размеров и их доля на рынке пока значительно меньше. Анализируя состояние рынка HDD в последние годы, можно отметить, что основным его сегментом по-прежнему остаются жесткие диски форм-фактора 3,5дюйма для настольных ПК, а лидирует здесь компания Seagate, которая в 2004–2005 гг. осуществила около 27% всех поставок винчестеров.

Именно жесткий диск позволяет постоянно хранить не только операционную систему, но и файлы пользователя, а также обеспечивает возможность в любой момент инсталлировать все новое и новое программное обеспечение, появлявшееся на рынке. Тем не менее, официально он называется HDD (Hard Disk Drive). Первый винчестер для персонального компьютера имел емкость 5 Мегабайт (для IBM PC/XT, 1983 г.) и казалось, что этой емкости вполне достаточно, чтобы закрыть все потребности пользователя ПК. Но, прошло чуть более 20 лет, и емкость HDD увеличилась в сотни тысяч раз и составляет сегодня от 100 до 800 Гигабайт.

По своему устройству и физическому принципу действия жесткий диск