6. Процессоры

Установленный на материнской плате микропроцессор выполняет программы, которые находятся в оперативной памяти. Как уже упоминалось ранее, на большинстве персональ­ных компьютеров используются микропроцессоры фирмы Intel. Фирма Intel является законодателем мод в области разработки микропроцессо­ров для персональных компью­теров. Ее новейшие микропроцессоры более произво­дительны, чем микропроцессоры конкурирующих фирм, хотя и стоят дороже. Основ­ным конкурентом фирмы Intel является компания AMD, которая выпускает процес­соры Athlon и Duron. Микропроцессоры этой фирмы сравнимы по производительно­сти с микропроцессорами фирмы Intel при одина­ковой тактовой частоте, но стоят де­шевле. Микро­процессоры корпорации VIA значи­тельно отстают по производитель­ности от микропроцессоров Intel и AMD и рассчитаны на заполнение ниши систем в нижнем ценовом диапазоне (low-end).

Микропроцессоры характеризуются следующими основными параметрами:

• степень интеграции;

• внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;

• тактовая частота;

• память, к которой могут адресоваться микропроцессоры;

• объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, микропроцессоры различаются по технологии производства, на­пряжению питания и др.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторных элементов может в ней уме­ститься. Например, для процессора Intel Pentium 4 на ядре Northwood с кэш ­памятью L2 512 Кбайт - это приблизительно 55 млн. транзисторов, расположен­ных на площади 146 мм².Внутренняя разрядность данных указывает количество бит, которое процес­сор может обрабатывать одновременно: 16, 32 или 64.Внешняя разрядность данных определяется разрядностью системной шины. Чем выше разрядность системной шины, тем выше ее пропускная способность и, как следствие, произво­дительность всей системы.

Процессоры Intel, используемые в IBM-совместных ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд - CISC-процессоров (CISC - Complex Instruction Set Computing). В противоположность CISC-процессорам разработаны процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд намного меньше, и каждая команда выполняется быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простых команд выполняются намного быстрее на RISC-процессорах. Обратная сторона сокращенной системы команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не всегда эффективной последовательностью более простых команд. Поэтому CISC-процессоры используются в универсальных компьютерных системах, а RISC-процессоры - в специализированных. Для ПК платформы IBM PC доминирующими являются CISC-процессоры фирмы Intel, хотя в последнее время компания AMD изготовляет процессоры семейства AMD-K7, которые имеют гибридную архитектуру (внутреннее ядро этих процессоров выполненное по RISC-архитектуре, а внешняя структура - по архитектуре CISC).

Технология производства процессоров влияет на напряжение питания, такто­вую частоту и степень интеграции. Совсем недавно (Pemium II) стандартом счита­лась 0,35-микронная техно­логия {минимально возможное расстояние между электри­ческими цепями внутрен­него ядра процессора; чем меньше это расстояние, тем больше активных элементов можно разместить на единице площади), сейчас про­цессоры выпускаются по 0,13-микронной технологии, а в бли­жайшее время ожида­ется переход на 0,09-микронную.

• Внутренняя кэш-память CPU. Для повышения производительности систем процессоров Pentium в состав этих процессоров помимо описанной ниже внешней кэш-памяти включают внутреннюю кэш-память емкостью от 8 или 64 Кбайт — кэш-память первого уровня ( L1) Ее назначение — согласование скорости работы процессора и внешней кэш-памяти (кэш-памяти второго уровня)

• Внешняя кэш-память CPU. Впервые внешняя кэш-память появилась на материнской плате с процессором 80386 Емкость ее для процессоров этого класса составляла в среднем 128 Кбайт Для CPU 80486DX объем кэш-памяти был 256 Кбайт, реже — 512 Кбайт Процессоры взаимодействовали с внешней кэш-памятью через системную шину .Однако с увеличением тактовой частоты работы CPU скорость обмена данными между процессором и внешней кэш-памятью стала "тормозить" производительность системы .В компьютерах с процессором Pentium II кэш-память второго уровня размещена в картридже на плате процессора и работает на тактовой частоте, равной половине тактовой частоты процессора

Процессор Itanium перекладывает практиче­ски всю работу по оптимизации потока ко­манд на компилятор, разработчики которого должны хорошо знать микроархитектуру процессора. Программы, соз­данные для про­цессоров более ранних поколений, не­обхо­димо будет перекомпилировать, чтобы полу­чить преимущества Itanium. Кроме того, размер скомпили­рованного кода и время ком­пиляции могут увели­читься.

Itanium 2 - новый процессор на ядре McKinley, на 30-50% более производитель­ный, чем предшест­вующий. На новой микросхеме интегрировано около 410 млн. транзи­сторов, а объем кэш-памяти Itanium теперь составляет 6 Мбайт.

Процессор Athlon (Slot 1) - процессоры седьмого поколения от AMD. Про­цессоры Athlon использовали интерфейс Slot А, который хоть и был физически совмес­тим со Slot 1, но электрической совместимости с процессорами от Intel не имел, по­скольку процессоры AMD Athlon использовали системную шину Alpha EV6, разработан­ную фирмой DEC. Процессоры Athlon поддерживали наборы SIMD-инструкций 3DNow! и ММХ.

Процессоры Athlon для Slot 1 выпускались в процессорном картридже, внутри которого по­мимо ядра устанавливался кэш L2 объемом 512 Кбайт, работающий на 1/2, 2/5 или 1/3 от полной частоты ядра. Размер кэша первого уровня всех процессоров Athlon - 128 Кбайт (по 64 Кбайт на данные и инструкции).

Athlon имеет 3 целочисленных, 3 вещест­венночисленных и 3 адресных конвейера. Длина це­лочислен­ного конвейера - 10 стадий, длина вещест­венночисленного конвейера - 15 стадий.

Процессор Athlon (Socket А) имеет новое ядро Thunderbird Главная отличительная осо­бенность - наличие встроенного в ядро кэша вто­рого уровня размером 256 Кбайт и рабо­тающего на полной частоте ядра. Кэш L2 использовал 64-битную шину для связи с ядром.

С выходом Windows XP линейка Athlon была переименована в Athlon XP, а для марки­ровки про­цессоров стал применяться рейтинг, использование которого аргументируется особенностями архитектуры процессоров AMD.

Ядро Thoroughbred - это ядро Palomino, переведенное на 0,13-микронный технологиче­ский процесс. Архитектурно от предшественника не отличается. Использует 266-мега­герцевую шину и имеет площадь 80 мм2. Выпускаются модели с рейтингом от 1700+ до 2200+.

Ядро Thoroughbred-B - усовершенствованный вариант ядра Thoroughbred- Увеличена максимальная частота, на которой могут работать процессоры, изготовленные с приме­нением этого ядра, а также снижено тепловыделение. На основе Thoroughbred-B выпус­каются Athlon XP с рейтингами от 2400+ до 2800+ с частотами шины 266 и 333 МГц.

Ядро Barton - 0,13-микронное ядро, отличающееся от Thoroughbred и Thoroughbred-B увеличенным до 512 Кбайт кэшем второго уровня.

В новых 64-разрядных процессорах Athlon (Athlon 64) на архитектуре AMD64 реализо­вана технология динамического изменения тактовой частоты и напряжения питания ядра в зависимости от вычислительной нагрузки. Эта технология получила название Cool'n'Quiet (холодный и тихий), т.к. позволяет процессору не только сберегать энергию, но и за счет уменьшения ее потребления оставаться холодным, что, в свою очередь, по­зволяет уменьшить скорость вращения вентиляторов и уменьшить общий шум системы.

Процессоры Duron - линейка дешевых процессоров от AMD, представляю­щих собой Ath­lon и Athlon XP с уменьшенными частотами, урезанным до 64 Кбайт кэшем второго уровня и 200-мегзгерце­вой системной шиной. Устанавливаются в тот же самый про­цессорный разъем Socket А, что и процессоры Athlon/Athlon XP

Процессоры Crusoe благодаря компактности и низкому энергопотреблению, предназначены для работы в составе мобильных компьютеров, тонких клиентов, принте­ров, копировальных аппаратов, портативной бытовой электроники, приставок и ультра­тонких ПК (ultra-personal computers, UPC).

Компания Transmeta представила новый подход к проектированию микропроцессоров. Современные процессоры создаются с аппаратно зашитой системой команд (например, любой х86, типа Intel Pentium), и затем пишется программное обеспечение, использую­щее этот набор команд. Transmeta же пошла по принципиально другому пути. Вместо того чтобы как все иметь полный аппаратный набор х86 команд, процессор Crusoe со­стоит из компактного аппаратного ядра-движка, окруженного программным уровнем.

Процессор Crusoe TM8000 (Efficeon) изготавливается по 130 нм технологии, способен работать на тактовой частоте до 1,3 ГГц, потребляя менее 10 Вт. При этом Efficeon в два раза быстрее своего предшественника, Crusoe TM5800, - за счет выполнения восьми ин­струкций за машинный такт. Большей производительности способствует и увеличенный вдвое (в старшей модели - до 1 Мбайта) объем встроенной кэш-памяти, поддержка шин HyperTransport и AGP 4х (процессор поддерживается чипсетом NVIDIA nForce3 Gol20). С 2005 года Efficeon изготавливается по 65 нм техпроцессу, что позволяет поднять тактовую частоту до 2 ГГц при энергопотреблении 25 Вт..

В последнее время широкое распространение получили многопроцессорные системы, т.е. такие, в которых установлено несколько процессоров. Используя, например, два про­цессора, вы, теоретически, в два раза увеличиваете производительность системы, однако на практике это не так. Для создания многопроцессор­ной системы необходимо выполнение следующих условий:

• материнская плата должна поддерживать несколько процессоров, т.е. иметь дополни­тельные разъемы для установки процессоров и соответствующий чипсет (например,440BX,460GX, 840);

• процессор должен поддерживать работу в многопроцессорной системе (Pentium III Xeon, Itanium и др.);

• операционная система должна поддерживать работу с несколькими процессорами(Windows NT, Windows 2000, Windows XP, UNIX).

В процессе одновременной работы нескольких процессоров операционная система распределяет различные задачи между процессорами. Существуют два режима работы многопроцессорных систем - асимметричный и симметричный.

В режиме асимметричной обработки один процессор выполняет только задачи операци­онной системы, а другой - прикладные программы. Сжатие видео в формат MPEG-4, например, с использованием кодера Windows Media Encoder 7.1 быстрее выполняют Pentium 4. Однако при выполнении моделирования 3D объектов с использованием оптимизированных алгоритмов движка MAX-FX (игра Мах Payne) быстрее оказался процессор Athlon XP.

В тестах Winsione2001 и SYSmark2002 измеряется скорость работы приложе­ний. В первом из них система на базе Athlon XP почти не уступила системе на базе Pen­tium 4 с частотой 2,4 ГГц, но во втором не смогла обойти систему на базе Pentium 4 2,2 ГГц. Если приложения оптимизированы для использования инструкций SSE2, то Pentium 4 начинает работать заметно (до 40%) эффективнее.

Оглавление