Косарев_Экомическая информатика

ности процессора при работе с мультимедийными и коммуника­ ционными приложениями. Технология динамического исполне­ ния команд включает такие возможности, как предсказание ветв­ лений, переименование регистров, а также опережающее и вне­ очередное исполнение команд (это означает, что очередность исполнения команд не нарушается, даже если последующая ко­ манда выполняется быстрее, чем предыдущая).

Следуя стратегии выпуска различных процессоров, способных занять свободные маркетинговые ниши, в 1998 г. компания Intel представила новую модификацию процессора Pentium II с такто­ вой частотой 266 МГц без кэш-памяти второго уровня под назва­ нием Celeron. Микропроцессор предназначен для недорогих ПК. Отсутствие кэш-памяти второго уровня при мощном процессор­ ном ядре привело к существенному снижению производительнос­ ти процессора (при решении некоторых задач она оказалась ниже, чем у процессора Pentium MMX с более низкой тактовой часто­ той). В связи с этим в последующих моделях процессора Celeron с более высокой тактовой частотой (400 МГц) появилась кэш-па­ мять второго уровня емкостью 128 Кбайт, работающая на пол­ ной частоте процессора.

В феврале 1999 г. выпущен микропроцессор Pentium III. Его нельзя назвать процессором принципиально нового поколения, как это бьшо с Pentium и Pentium II, появление которых связано с существенными изменениями в технологиях обработки данных, кэшировании, взаимодействии с системной шиной. Архитектура Pentium III является дополненной версией процессора Pentium И, в которую введены 70 новых инструкций, называемых расшире­ ниями Streaming SIDM (потоковые расширения SIDM - Single Instruction - Many Data), подразумевающими возможность полу­ чения процессором одной инструкции на обработку нескольких массивов однотипных данных. Первые модели Pentium III выпус­ кались с тактовой частотой 450 Мгц, последующие - 500,600 Мгц. Из семидесяти новых инструкций пятьдесят используется для оптимизации операций с плавающей точкой (SIDM FP), двенад­ цать - являются дополнением к имеющимся в Pentium II мульти­ медийным инструкциям ММХ и восемь новых инструкций кэши­ рования (инструкций поточного запоминания). Кроме того, в Pentium III имеется дополнительный блок для выполнения инст­ рукций SIDM с плавающей точкой.

Расширения Streaming SIDM предназначены для решения за­ дач обработки звука, видео и другой мультимедийной информа­ ции, требующей интенсивной работы процессора - фильтрации графических изображений, геометрических 3D вычислений и вол­ нового анализа, которые тормозили работу даже быстрого Pentium II. Однако чтобы воспользоваться преимуществами Pentium III, необходимо разрабатывать новое программное обес­ печение.

При работе с приложениями типа Microsoft Office, электрон­ ной почтой, Web-браузером пользователь вряд ли почувствует уве­ личение производительности, используя Pentium III, по сравне­ нию с Pentium II при равной тактовой частоте процессоров. Од­ ним из перспективных применений Pentium III считается распознавание речи и перевод устных фраз в текстовую форму. Программы распознавания речи показывают на Pentium III бо­ лее высокую точность распознавания и меньшее время обучения особенностям произношения по сравнению с Pentium И.

Для профессиональных рабочих станций и серверов фирмой Intel создан микропроцессор Хеоп (1999 г.). Более производитель­ ный, чем Pentium III, Xeon имеет кэш-память второго уровня ем­ костью 2 Мбайта, работающую на частоте процессора. Более объемная и более быстрая кэш-память микропроцессора Хеоп по сравнению с Pentium III способствует повышению производитель­ ности выполнения задач, интенсивно использующих процессор, например запросов в базах данных. Кристалл позволяет изготав­ ливать машины с четырехпроцессорной конфигурацией. В резуль­ тате скорость работы сервера может быть увеличена распределе­ нием задач по нескольким процессорам. Но для реализации этого требуется соответствующая плата, а также рассчитанная на мно­ гопроцессорность операционная система и соответствующие при­ ложения.

Несмотря на бесспорное лидерство фирмы Intel на рынке мик­ ропроцессоров, в настоящее время ряд фирм - AMD (Advanced Micro Devices), Cyrix, IBM, Texas Instruments, IDT и др. - произ­ водит аналогичные устройства, конкурирующие с изделиями Intel. Больших успехов в последнее время добилась на этом поприще фирма AMD.

В 1996 г. фирмой AMD выпущен более дешевый и более про­ изводительный аналог микропроцессора Pentium - AMD-K5, в 1997 г. - AMD-K6, спроектированный как альтернатива Pentium

II, затем AMD K6-2 с технологией 3D Now!, AMD К6-Ш. AMDК6 - первый микропроцессор из выпущенных не фирмой Intel, поддерживающий инструкции ММХ, имеет увеличенную до 1 Мбайта кэш-память второго уровня (по сравнению с 512 Кбайт в Pentium II), высокую производительность. В AMD K6-III кэш-па­ мять второго уровня объемом 256 Кбайт расположена на самом кристалле и может обмениваться данными с процессором на его рабочей частоте.

В 1999 г. фирмой AMD выпущен процессор Athlon, ранее из­ вестный под кодовым названием К7. Процессор Athlon может одновременно обрабатывать до шести инструкций за один такт (в то время как Pentium III - только три), имеет кэш-память пер­ вого уровня 128 Кбайт (что в четыре раза больше, чем у Pentium III). Кроме того, фирма AMD разработала более быструю, чем у Pentium III, системную шину, которая позволяет процессору об­ мениваться данными с набором микросхем, установленным на системной плате, на частоте 200 МГц (у Pentium III - системная шина работает на частоте 100 МГц).

В процессор Athlon добавлены 24 новые инструкции, которые, как и расширения Intel Streaming SIDM в Pentium III, предназна­ чены для повышения скорости графических приложений, коди­ рования видео, работы с поточными данными в Web, ускорения обработки речи и другими приложениями. Однако, так же, как и фирме Intel, фирме AMD для эффективного использования новых инструкций требуется, чтобы разработчики программного обес­ печения позаботились о создании новых программ.

Выпускаемые в настоящее время процессоры Pentium III и Athlon работают на тактовых частотах 500, 550, 600 МГц, и обеи­ ми фирмами (Intel и AMD) планируется в ближайшее время вы­ пуск еще более быстрых процессоров. В то же время пока боль­ шинство пользователей работают с приложениями, не требующи­ ми тактовой частоты даже в 500 МГц. В частности, при работе с офисными приложениями дальнейший рост тактовой частоты процессора вряд ли приведет к заметному увеличению произво­ дительности компьютера.

Как правило, микропроцессоры конкурирующих с Intel фирм обеспечивают полную совместимость с существующим программ­ ным обеспечением. Например, микропроцессоры AMD имеют лицензию Microsoft на использование логотипа «Designed for

Windows 95», сохраняют совместимость с другими операционны­ ми системами (DOS, OS/2, Windows NT, UNIX) и всей базой при­ кладного программного обеспечения, разработанного для серии х86. Однако некоторые микросхемы Cyrix имели определенные проблемы совместимости (например, при запуске некоторых игр).

Большое внимание фирмами-производителями микропроцес­ соров уделяется технологии изготовления кристаллов. Произво­ дительность микропроцессоров прямо зависит от размера крис­ талла, который, в свою очередь, определяется плотностью распо­ ложения транзисторов на нем. Чем меньше пути прохождения электронов, тем производительнее микропроцессор. При умень­ шении размеров микропроцессоры потребляют меньше энергии, быстрее работают и становятся дешевле.

Одним из основных путей уменьшения размеров кристаллов и соответственно увеличения плотности расположения транзисто­ ров является снижение норм толщины проводников. В ранних моделях микропроцессоров толщина алюминиевых проводников составляла 1,5 мкм. В настоящее время большинство производи­ телей изготавливают микропроцессоры с толщиной проводников 0,25 мкм. Снижение проектных норм (меньше 0,25 мкм) может привести к повышению влияния электрического сопротивления алюминия и в результате - к снижению производительности мик­ ропроцессора.

Новым решением этой проблемы стало открытие фирмой IBM метода использования меди вместо алюминия. Медь имеет мень­ шее электрическое сопротивление, чем алюминий, и позволяет применять более тонкие проводники. Однако медь загрязняет кремниевую подложку микропроцессора. IBM устранила этот недостаток путем изолирования медных проводников от кремни­ евой подложки и последующей герметизации меди. В настоящее время IBM планирует выпуск микропроцессоров с толщиной про­ водников 0,20 мкм и менее.

В 1965 г. один из основателей компании Intel Гордон Мур сфор­ мулировал закон, согласно которому мощность процессора бу­ дет удваиваться каждые 24 месяца. Больше тридцати лет этот за­ кон подтверждается компьютерной индустрией. Однако можно, не обращаясь к закону Мура, предположить, что в ближайшее время появятся более быстрые и дешевые микропроцессоры. При этом поставщики программного обеспечения и аппаратуры, за­ интересованные в создании и продвижении на рынок новых про-

дуктов, будут способствовать все более высокому темпу развития микропроцессорной техники.

В подтверждение этого достаточно посмотреть на ближайшие планы производства микропроцессоров, объявленные ведущими фирмами-производителями. Так, фирмой Intel уже подготовлен к выпуску микропроцессор Pentium III Coppermine, работающий на частоте 733 МГц и имеющий встроенную кэш-память второго уровня емкостью 256 Кбайт. Размещение кэша второго уровня внутри кристалла процессора способствует повышению произво­ дительности при работе с офисными приложениями.

В 2000 г. фирма Intel выпустила Pentium III с тактовой часто­ той 800 МГц, недорогой процессор Timna, содержащий встроен­ ные графические и звуковые возможности, 64-разрядный процес­ сор Itanium. Ориентированный на 64-разрядные вычисления, про­ цессор Itanium может обрабатывать огромные массивы данных и быть использован для серверов и рабочих станций. Однако, по мнению аналитиков, широкого применения Itanium вряд ли мож­ но ожидать раньше 2003 г., поскольку для использования его пре­ имуществ необходимо новое программное обеспечение. На компь­ ютере с процессором Itanium можно будет выполнять и 32-разряд­ ные программы, но не быстрее, чем на обычных Pentium III.

2.1.4. ПАМЯТЬ В ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

При имеющемся в последние годы значительном повышении скорости процессоров быстродействие компьютерных систем мо­ жет увеличиваться не столь заметно. Это связано с тем, что мощ­ ность компьютера определяется его общей архитектурой и зави­ сит не только от тактовой частоты процессора. Важную роль в повышении быстродействия систем играют скорость работы па­ мяти и пропускная способность шины.

Для офисных приложений особенно критичным часто оказы­ вается организация взаимодействия центрального процессора и оперативной памяти. Большую роль в связи с этим играют па­ мять и наборы микросхем, установленные на системной плате.

Запоминающие устройства ПК, или память, предназначены для хранения информации. Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами, - запись и считывание информа­ ции, которые в совокупности называются обращением к памяти.

Наиболее важные характеристики памяти - ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа.

Как правило, любое запоминающее устройство содержит мно­ жество одинаковых запоминающих элементов. Для оперативной памяти в качестве таких элементов долгое время использовались ферритовые сердечники (небольшие ферритовые кольца, через которые проходит несколько обмоток), объединяемые в разряд­ ную матрицу памяти. В настоящее время в качестве запоминаю­ щих элементов оперативной памяти используются большие интег­ ральные микросхемы (БИС).

При обработке информации процессором может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти, поэтому ее на­ зывают памятью с произвольным доступом, или RAM (Random Access Memory). Обычно ПК оснащены оперативной памятью, выполненной на микросхемах динамического типа. Ячейки дина­ мической памяти обычно собираются в матрицу. Время доступа к динамической памяти примерно в 3 - 4 раза меньше такта работы центрального процессора.

Существует память статического типа, в которой информация хранится на статических триггерах. Для статической памяти не нужны циклы регенерации и операции перезарядки. Время досту­ па к статической памяти существенно меньше, чем к динамичес­ кой памяти. Быстродействие используемой оперативной памяти во многом определяет скорость работы процессора и влияет на производительность всей системы. Однако для реализации одно­ го запоминающего элемента динамической памяти требуется 1 - 2 транзистора, для статической - 4 - 6 транзисторов. Соответствен­ но стоимость статической памяти существенно выше стоимости динамической памяти, а выполнение ОЗУ на элементах статичес­ кой памяти приводит к значительному удорожанию ПК.

Поэтому в современных ПК обычно используется оператив­ ная память динамического типа, а для повышения производитель­ ности системы используется сверхоперативная, или кэш-память,

выполненная на элементах статического типа. В этом случае блок данных, обрабатываемых процессором, размещается в кэш-памя­ ти, время обращения к которой соизмеримо с тактом работы про­ цессора. Обращение к оперативной памяти происходит только тогда, когда нужные данные не содержатся в кэш-памяти. Таким образом, использование кэш-памяти дает возможность согласо­ вать по скорости работу процессора и оперативной памяти на элементах динамического типа.

Конструктивно оперативная память может выполняться в виде SIMM-корпусов (Single In line Memory Module) - с однорядным расположением контактов, DIMM-корпусов (Dual In line Memory Module), характеризующихся меньшим временем обращения, RIMM-корпусов (R - от названия разработавшей их фирмы Rambus), устанавливающихся в другие разъемы и использующих шину памяти с более высокой пропускной способностью.

Существуют различные типы модулей памяти: SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) - самый распространенный на се­ годня тип динамического ОЗУ; VC SDRAM (Virtual Channel SDRAM) - более производительный тип памяти, чем SDRAM); RDRAM (Rambus DRAM) - новая разновидность памяти, разра­ ботанная фирмой Rambus и предназначенная для функциониро­ вания на более высоких частотах, чем SDRAM. RDRAM являет­ ся наиболее дорогой памятью.

Иногда используется принятая в фирме Intel спецификация РС100, обозначающая микросхемы памяти SDRAM, поддерживаю­ щие системную шину с частотой 100 МГц и обеспечивающие ско­ рость передачи данных 0,8 Гбайт/с. РС-600, РС-700, РС-800 - мо­ дули новой памяти RDRAM, обеспечивающие скорость передачи данных 1,2Гбайт/с, 1,4 Гбайт/с и 1,6 Гбайт/с соответственно. Для разных системных плат предусмотрена возможность использова­ ния модулей памяти того или иного типа.

Интегральные микросхемы памяти - продукция высоких тех­ нологий. Они выпускаются небольшим количеством японских, корейских, американских и европейских фирм.

В современных ПК имеется, как правило, постоянное запоми­ нающее устройство (ПЗУ), или ROM (Read Only Memory). Важ­ нейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода). BIOS обеспечи­ вает инвариантность программных средств к архитектуре систем­ ной платы и содержит необходимый набор программ ввода-вы­ вода, обеспечивающих работу периферийных устройств.

Кроме программ ввода-вывода в ПЗУ содержатся программа тестирования при включении компьютера POST (Power On SelfTest), программа начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки операционной системы с диска.

Обычно BIOS хранится в микросхемах так называемого ма­ сочного ПЗУ: информация в них записывается один раз при из­ готовлении микросхем. Отсюда название ROM BIOS, т.е. исполь­ зование для BIOS памяти только для чтения. Однако в настоящее

время после снижения цен на перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) для хранения BIOS используются запоминающие элементы, ин­ формацию в которых можно стирать электрически или с помо­ щью ультрафиолетового излучения. В настоящее время наиболее часто для этих целей применяют флэш-память (Flash Memory). Она позволяет вносить исправления в BIOS, т.е. дает возможность, не меняя микросхем, изменять или дополнять функции BIOS для вза­ имодействия с новыми устройствами, подключаемыми к ПК.

Кроме того, в ПК имеется память с независимым питанием (от батарейки), называемая CMOS RAM (Complementary Metal- Oxide-Semiconductor), объемом 256 байт. Эта память не отобра­ жается в адресном пространстве микропроцессора, а служит для хранения данных о текущих параметрах (параметры жестких дис­ ков , оперативной памяти, микропроцессора, показания часов и т.д.). При необходимости содержимое CMOS RAM можно кор­ ректировать.

2.1.5. СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ

Основная электронная часть ПК конструктивно располагает­ ся в системном блоке, который может быть нескольких размеров и типов, например настольным (горизонтальное исполнение), типа «башня» (вертикальное исполнение). Внутри системного блока различные компоненты компьютера размещаются на системной плате, называемой часто материнской.

Системная плата играет важную роль: от ее характеристик во многом зависит работа ПК. Существует несколько типов систем­ ных плат, которые обычно ориентированы на конкретные мик­ ропроцессоры. В условиях быстрого обновления аппаратной час­ ти компьютеров выбор системной платы особенно важен, так как он во многом определяет возможности будущей модернизации компьютера. При выборе системной платы необходимо учиты­ вать следующие ее характеристики:

•возможные типы используемых микропроцессоров с учетом их рабочих частот;

•число и тип разъемов системной шины;

•базовый размер платы;

•возможность наращивания оперативной и кэш-памяти;

•возможность обновления базовой системы ввода-вывода (BIOS).

На системной плате помещены одна или несколько интеграль­ ных микросхем, управляющих коммуникациями между процессо­ ром, памятью и устройствами ввода-вывода и называемых сис­ темным набором микросхем (chipset).

Среди имеющихся сейчас наборов микросхем наиболее часто используются Intel 440LX, Intel 440BX; перспективными являют­ ся Intel 820, Intel 810е и Apollo Pro 133 4х фирмы VIA Technologies. Intel 810e предусмотрен для применения в недорогих компьюте­ рах и не поддерживает память RDRAM. Intel 820 поддерживает память типа RDRAM, но может также работать и с памятью SDRAM.

Самым крупным производителем системных плат является фирма Intel. Большинство технологических и технических нов­ шеств для системных плат было введено именно этой фирмой. Однако изделия Intel относятся, как правило, к дорогим. На мас­ совом рынке ведущие позиции в производстве системных плат занимают тайваньские фирмы.

2.1.6. ШИНЫ, ИНТЕРФЕЙСЫ

Непосредственно на системной плате находится системная шина ПК. Функционально системная шина предназначена для передачи информации между процессором и остальными компо­ нентами ПК. По шине происходит не только обмен информаци­ ей, но и передача адресов, служебных сигналов.

В IBM PC-совместимых компьютерах вначале использовалась 16-разрядная шина ISA (Industry Standart Architecture), разрабо­ танная еще в 1984 г. , работающая с тактовой частотой 8 МГц. После появления новых микропроцессоров и высокоскоростных периферийных устройств шина стала "узким" местом. В 1987 г. был предложен новый стандарт - шина MCA (Micro Chanal Architecture) с более высокой тактовой частотой (до 10 МГц), с реализацией функций арбитража, позволяющих избегать конф­ ликтные ситуации при совместной работе нескольких устройств. В шине МСА увеличена пропускная способность до 20 - 40 Мбайт/с, достигнута большая компактность. Разрядность шины МСА - 16 и 32. Основной недостаток - потеря аппаратной совместимости с шиной ISA. Из-за нее, а также из-за патентных ограничений эта опередившая свое время архитектура так и не стала настоящим стандартом.

В 1989 г. консорциумом независимых фирм была разработана шина EISA (Extended ISA - расширенная), фактически ставшая надстройкой ISA. Она работает с тактовой частотой 8-10 Мгц. Однако из-за своей дороговизны, сложности использования и не­ возможности получения пропускной способности выше, чем 33 Мбайт/с, она также не смогла вытеснить остальные шины. EISA применялась в основном в высокопроизводительных серверах и профессиональных рабочих станциях, предъявляющих высокие требования к быстродействию.

Для увеличения производительности системы с 1991 г. стали использовать так называемые локальные шины, связывающие про­ цессор непосредственно с контроллерами периферийных уст­ ройств и увеличивающие тем самым общее быстродействие ПК. Среди локальных шин наибольшей известностью пользуются шина VL-bus (VESA Local bus), разработанная ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Assosiation), PCI (Peripheral Component Interconnect), разработанная фирмой Intel. Шина VL-bus была ориентирована на ПК с микропроцессорами семейства i486, но может также работать и с процессорами Pentium.

Процессорно-независимая шина PCI работает с тактовой час­ тотой 33 МГц и обладает высокой скоростью передачи данных (больше 100 Мбайт/с). Для шины PCI выпущены многие адапте­ ры периферийных устройств - видеоплаты, контроллеры дисков, сетевые адаптеры и др.

Специально для работы с графическими и видеоданными раз­ работана шина AGP (Accelerated Graphics Port), более быстрая, чем PCI. Шина AGP напрямую соединяет графический адаптер с оперативной памятью ПК, что особенно важно при работе с ви­ део-, двух- и трехмерными приложениями. Использование шины AGP позволяет разгрузить шину PCI от потока видеоданных, что облегчает обмен данными с другими периферийными устройства­ ми. Шина AGP функционирует на частоте 66 МГц.

Фирмы - разработчики системных плат предусматривают воз­ можность комбинации системных и локальных шин. Например, системная плата может иметь один разъем AGP, четыре - PCI и три - ISA, один из которых совмещен с PCI.

Периферийные устройства подключаются к системной шине с помощью контроллеров или адаптеров, представляющих собой специальные платы, различные для разных типов периферийных