Процессор

Процессор

Все началось с того, что был изобретен мощный микропроцессор

«Терминатор-2. Судный день»

...1949 год был, в общем-то, не слишком примечательным годом в истории человечества. Не считая разве что того примечательного фак­та, что именно в этом году над американской пустыней сошла со своих небесных трасс знаменитая «летающая тарелка из Нью-Мексико». Та самая, над загадкой которой до сих пор безуспешно ломает голову все прогрессивное человечество.

Сегодня выжившие свидетели тех далеких дней утверждают, что при тщательном потрошении сего неопознанного объекта из него были из­влечены не только трупы инопланетян, но и некие управляющие уст­ройства, на основе которых и были созданы микропроцессоры...

Допустим, так оно и было. И инопланетяне были (вскрытие оных да­же было вроде бы запечатлено на кинопленку и сегодня соответствую­щий фильм продается едва ли не в каждом киоске), и инопланетные же процессоры. Правда, трудно представить себе НЛО, чьим управлением заведуют устройства, аналогичные первым процессорам Intel-4004.

Но может быть, поэтому и грохнулась тарелочка?

Как бы то ни было, для «копирования» инопланетной техники уче­ные избрали весьма долгий и извилистый путь. Сначала (для отвода глаз) были изобретены отдельные элементы — транзисторы, заменив­шие традиционные электронные лампы в первых компьютерах. Затем через десяток лет хитроумные инженеры, посмеиваясь (Еще бы! Ко­нечный-то результат всех их трудов уже давно лежал в сейфе!), «изобре­ли» интегральные микросхемы, позволяющие уместить на одном крис­талле большое количество транзисторов. И еще только через десяток лет миру явился сам микропроцессор, содержащий уже тысячи и мил­лионы этих самых транзисторов.

Отдадим должное выдержке и упорству хитрых плагиаторов... и примитивности инопланетной техники.

А теперь серьезно.

Первый  микропроцессор  Intel 4004 был создан в 1971 году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хоффом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов... Но вряд ли мудрый доктор знал в то вре­мя, во что выльется созданный им «ком­пьютер на одном кристалле». Изначаль­но процессор 4004 предназначался для... микрокалькуляторов и был изго­товлен по заказу одной японской фир­мы. К счастью для всех нас, фирма эта обанкротилась, так и не дождавшись      процессор гипа.сокет» обещанного микропроцессора — и в ре­зультате разработка перешла в собственность не ожидавшей такого сча­стья Intel. С этого момента и началась эпоха персональных компьюте­ров, «звездный час» которых настал в начале 80-х. Именно тогда фир­мой IBM был выпущен уже ставший легендарным компьютер IBM PC на основе нового микропроцессора все той же фирмы Intel...

Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощно­стью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне.

Факт, который автор не постеснялся привести строкой выше, уже давно стал штампом, обязательным в любой рекламе фирмы Intel. Хо­тя и не стал от этого менее правдивым и красноречивым.

И теперь, в эпоху гигагерцовых скоростей и сверхъестественной «сообразительности» компьютеров, из тени пдить весьма сакраментальный вопрос: а сможет ли человек правильно распорядиться этой внезапно свалившейся на него мощностью?

Процессоров в компьютере много. Помимо центрального процес­сора, который во всем мире принято обозначать аббревиатурой CPU (Central Processor Unit), схожими микросхемами оборудовано практи­чески каждая компьютерная «железяка».

Главный, центральный процессор с легкой руки журналистов назы­вают «королем» системного блока, единовластно повелевающим всеми его ресурсами. Но уследить абсолютно за всем, что происходит в его «королевстве», даже шустрый процессор не в состоянии — королевская занятость разбрасываться не позволяет. И тогда на помощь «королю» приходят «наместники» — специализированные микропроцессоры-чи­пы по обработке, например, обычной и трехмерной графики, 3D звука, компрессии и декомпрессии... Таких «наместников» в компьютере много и размещаются они на специализированных, дополнительных платах (о них — речь впереди). И называются они уже не «процессора­ми», а просто «чипами». С этим термином нам еще частенько придется встретиться на страницах этой книги...

На первый взгляд, процессор — просто выращенный по специ­альной технологии кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор, именуется «камнем»). Однако камешек этот содержит в себе множе­ство отдельных элементов — транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в ко­торые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. А в допроцессорную эпоху роль «вычислителей» несли на себе в мил­лионы раз более громоздкие устройства... Началось все еще в 30-х го­дах нашего столетия с механических переключателей — реле, в соро­ковые им на смену пришли электронные лампы. Только представьте себе — сотни тысяч электронных ламп, громадное количество аппа­ратуры размером с хороший дом! Работали такие компьютеры не только медленно, но и крайне недолго — одна перегоревшая лампа немедленно выводила из строя весь компьютер. Бесперебойная рабо­та в течение 10—15 минут — вот и все, на что были способны «лампо­вые» компьютеры.

В 50-х годах на смену капризным лампам пришли компактные «эле­ктронные переключатели» — транзисторы, затем — интегральные схе­мы, в которых впервые удалось объединить на одном кристалле крем­ния сотни крохотных транзисторов. Но все-таки отсчет летоисчисле­ния компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента появления первого микропроцессора...

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, про­цессоры сильно изменились. Сегодняшний процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

1. Собственно процессор, главное вычислительное устройство, со­стоящее из миллионов логических элементов — транзисторов.

2.. Сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и слож­ных расчетов, а также для работы с рядом графических программотихоньку начинает выхо-3. Кэш-память первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

4. Кэш-память второго уровня — эта память чуть помедленнее, зато больше — от 128 до 512 кбайт.

Трудно поверить, что все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микро­скопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже через год на смену ему должна прийти медь). Их размер поражает воображение — десятые доли микрона! Например, в 1999 году большая часть процессо­ров производилась по 0,25-микронной технологии, в 2000 году ей на смену пришла 0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается, что в течение ближайших двух лет плотность расположения элементов на кристалле увеличится еще в 2 раза.

Впрочем, при выборе микропроцессора мы руководствуемся от­нюдь не «микронностью» технологии, по которой этот процессор сде­лан. Существуют другие, гораздо более важные для нас характеристики процессора, которые прямо связаны с его возможностями и скоростью работы.

Тактовая частота. Скорость работы — конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Хотя лишь не­многие пользователи понимают, что, собственно, он означает. Ведь для нас, неспециалистов, важно лишь то, насколько быстро новый процес­сор может работать с нужными нам программами — а как, спрашивает­ся, оценить эту скорость?

У специалистов существует своя система измерения скорости про­цессора. Причем таких скоростей (измеряемых в миллионах операций в секунду — MIPS) может быть несколько — скорость работы с трехмер­ной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

Не слишком удобно. Поэтому большинство пользователей, го­воря о скорости процессора, подразумевает совсем другой показа­тель. А называется он тактовой частотой. Эта величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен вы­полнить процессор в течение секунды) Тактовая частота обознача­ется цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-1200, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 1200 МГц или 1,2 ГГц).

Сегодня наибольшей популярностью на рынке пользуются процес­соры с частотой от 800 до 1200 МГц. Однако тем, кто будет читать эту книжку в конце 2001 года, автору придется посоветовать приобретать процессор с частотой не менее 1,5 ГГц. Ведь согласно так называемому «закону Мура», названного в честь одного из изобретателей микропро­цессора и нынешнего руководителя корпорации Intel, каждые полтора года частота микропроцессоров увеличивается не менее, чем в два раза...

Тактовая частота — бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron, Pentium III и Pentium 4 на одной и той же частоте работаюЗдесь вступают в силу новые факторы — поколение и модификация данного процессора.

Поколения процессоров

отличаются друг от друга скоростью рабо­ты, архитектурой, исполнением и внешним видом... словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем — к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

Бели брать за точку отсчета изделия «королевы» процессорного рынка, корпорации Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

Модификация.

В каждом поколении имеются модификации, отли­чающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в славном се­мействе Pentium II I числятся три «брата» — старший, Хеоn, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средний братец, собственно Pentium III, трудится на производительных настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ Celeron верно служит простому люду на до­машних компьютерах. Схожая ситуация — и в конкурирующем с Intel семействе процессоров AMD, Для дорогих настольных компьютеров и графических станций фирма предлагает процессоры Athlon, а для недо­рогих домашних ПК предназначен другой процессор — Duron.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая часто­та, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800... Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее — на 10—15 %, в зависимости от за­дачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встрое­ны новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации. Например, в процессорах Intel начиная с Pentium появилась новая система команд для обработки мультиме­диа-информации ММХ, a Pentium III дополнительно оснащен новой системой инструкций SSL.

В случае же с разными модификациями процессоров на арену выхо­дят еще некоторые дополнительные параметры, которыми, собствен­но, модификации и отличаются друг от друга.

Разбору этих параметров можно было бы в принципе посвятить це­лый том, но вряд ли большинство из вас интересуют чисто технические подробности. Кроме, пожалуй, одной — размера кэш-памяти. В эту па­мять компьютер помещает все часто используемые данные, чтобы не «ходить» каждый раз «за семь верст киселя хлебать» — к более медлен­ной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-памяти в процессоре имеется двух видов.

Самая быстрая — кэш-память первого уровня (32 кбайт у процессоров Intel и до 64 кбайт — в последних моделях AMD). Существует еще чуть менее быстрая, но зато — более объемная кэш-память второго уровня — и именно ее объ­емом различаются различные модификации процессоров. Так, в се­мействе Intel самый «богатый» кэш-памятью — мощный Хеоп (2 Мбайт). У Pentium III размер кэша второго уровня почти в 10 раз меньше — 256 кбайт, ну a Celeron вынужден обходиться всего 128 кбайт! А значит, при работе с программами, требовательными к объему кэш-т... с разной скоростью?

памяти, «домашний» процессор будет работать чуть медленнее. Зато и стоимость его в два-три раза ниже: кэш-память — самый дорогой эле­мент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла воз­растает в геометрической прогрессии!

Тип ядра и технология производства.

Думаю, уже хорошо подготов­ленным ко всяким шокирующим известиям нет нужды объяснять, что хитрые производители процессоров ухитряются периодически произ­водить революции не только в пределах одного поколения, но и одной модификации! И чаше всего это связано с переходом на новую техно­логию производства процессоров и, вслед за этим, за сменой процес­сорного «ядра».

О технологии мы с вами уже говорили: как мы помним, она опреде­ляется размером минимальных элементов процессора. Так, в 1999 году, вслед за переходом на новую, 0,13-микронную технологию, произошла смена «ядер» у процессоров Intel. Торговые марки остались прежними (Pentium III и Celeron), однако на смену ядрам под кодовым названием Katmai (Pentium III) и Mendocino (Celeron) пришло новое, под названи­ем Coppermine. Смена ядра, конечно же, привела к серьезным измене­ниям в производительности процессоров, хотя их рабочая частота оста­лась прежней. Именно поэтому продавцы обычно указывают в прайс-листах, наряду с поколением, модификацией и частотой процессора, тип использованного в нем ядра. Например

Pentium III (Coppermine)-667,

Athlon (Thunderbird)-800.

Очередную смену ядра оба производителя совершили в начале 2001 года. Так, базовым ядром для процессоров AMD в 2001 году стали Palomino (Athlon) и Morgan (Duron) (0,13-микронная технология).

Частота системной шины.

Последний технологический параметр процессора, с которым нам придется столкнуться в рамках этой главы. Связан он уже с совершенно другим устройством — материнской пла­той. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой бегут от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины — тем боль­ше данных поступает за единицу времени к процессору

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого про­цессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессор­ная частота — это и есть частота системной шины, умноженная процес­сором на некую заложенную в нем величину. Например, частота про­цессора 500 МГц — это частота системной шины в 100 МГц умноженная на коэффициент 5.

Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах системной шины 100 и 133 МГц. А частота для «пасынков», ста­рых моделей Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц. На такой ча­стоте медленнее работает не только процессор, но и вся система. Правда, в конце 2000 года на рынке появились новые модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium 4 к этому времени перешел на новую частоту системной шины — 133 МГц, так что отставание дешевых процессоров от дорогих сохранилось.

Схожая ситуация наблюдается и у процессоров AMD — правда, по­следние за счет умения Вот так и объясняется парадокс — частоты процессоров одинаковы, ну а скорости работы компьютеров отличаются на десятки процентов. Правда, частенько отчаянные умельцы принудительно заставляют про­цессор работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. Это из­девательство называется в компьютерных кругах «разгоном» и, в случае удачи, резко повышает производительность компьютера. Так, поднятие частоты системной шины для процессора Celeron-600 (коэффициент умножения 9) с 66 до 100 МГц не только «взбадривает» скорость обме­на данными по системной шине, на и повышает скорость работы само­го процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не все процессоры выдер­живают «разгон» — большинство в лучшем случае откажется работать, ну а в худшем — выйдет из строя...

1	2