Процессор

Комсомольск-на-Амуре

KOST

&

AKRED

COST@AMURNET.RU

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...

Форм-фактор.

То есть — тип исполнения процессора, его «внешно­сти» и способа
подключения к материнской платы.

Как правило, все
элементы процессора расположены на одном и том же кристалле кремния — и лишь в
редких случаях кэш-память вто­рого уровня выносится за пределы процессора.
Обычно процессоры первого типа — «все в одном» — квадратной формы (тип разъема
«сокет»). Эдакий прямоугольный корпус с торчащими из него ножками-контактами.
Процессоры второго типа куда более громоздки — обе ми­кросхемы размещены на
небольшой плате и надежно упрятаны в ме­таллический кожух.

Обычно в формате
«слот» выпускаются первые, пробные модели каждого нового поколения процессоров
— позднее, по мере «обкатки» технологии производства, их производители
переходят на более ком­пактный и дешевый формат «сокет».

Еще не так давно —
каких-нибудь пять лет назад — рынок не был избалован обилием форм-факторов:
разные процессоры от разных фирм-производителей походили друг на друга, как две
капли воды, и могли работать на одних и тех же материнских платах. Ситуация
нача­ла меняться в 1995 г., а сегодня мы наблюдаем уже настоящий «беспре­дел»
многообразия несовместимых друг с другом форм-факторов: «удваивать» частоту
шины работают, соответст­венно, на частоте 200 (старые модели Duron и Athlon) и 266 МГц.

Старые модели процессоров (1998—1999)

• Процессоры для разъема SuperSocket? — процессоры фирм AMD (Кб, К6-2), Cyrix
(M2), Centaur Technology (IDT).

•Процессоры для разъема Sloti — процессоры фирмы Intel:

Pentium II (233-450 МГц),
Pentium III и Celeron (300-450 МГц).

• Процессоры дляразъема Slot А — процессоры фирмы AMD
(Athlon).

• Процессоры для разъема Socket-370 (PGA) — процессоры
фирмы Intel: Celeron (от 450 МГц) и Pentium III (от 450 МГц).

Новые модели
процессоров (2000—2002)

•Процессоры для разъема Socket A — процессоры фирмы AMD
(Athlon Thunderbird, Duron).

•Процессоры для разъема FC-PGA — процессоры фирмы Intel:

Pentium
III Coppermine (от 500 МГц), Celeron Coppermine (от 533 МГц).

• Процессоры для разъема Socket-423 — Pentium 4.

Самое досадное, что большинство процессоров не совместимы друг с другом
по способу подключения к материнской плате — каждый требует для себя
специального «ложа». Отчасти ситуацию удается ис­править с помощью специальных
плат-переходников, благодаря кото­рым можно установить, например, процессор для
Socket-370 в гнездо FC-PGA или в разъем Slot 1.

Фирма-производитель.

 Вы уже поняли, что не Intel'ом единым жив процессорный мир. Спору нет, Intel — флагман
современного процес-соростроения, бесспорный лидер, Источник Вечного
Наслаждения и так далее. Но...

Природа
капитализма не терпит пустоты. Но еще более не терпит, когда эта пустота
заполняется кем-нибудь одним. Конкуренция — вот главный двигатель прогресса!

Рынок процессоров
— не исключение. И потому рядом с большой акулой — Intel — мы неизменно
встречаем названия двух акулок по­мельче, но не менее хищных.

AMD — большая головная
боль Intel, ее вечный антагонист и кон­курент. Еще недавно
процессоры этой фирмы занимали не более 20 % рынка — однако в 1999 году, после
выхода процессора Athlon, AMD стремительно стала «набирать очки» в
глазах пользователя и сегодня конкурирует с Intel на равных.

Изюминка AMD — не только более
низкая цена (на 10-20 % ниже, чем у сравнимого по скорости
Pentium). Именно в процессорах AMD была впервые реализована уникальная
система инструкций для под­держки обработки мультимедиа-данных и трехмерной
графики 3DNow!, которая, в отличие от интеловской технологии SSI, охотно
поддерживается ныне большинством производителей игр.

Именно процессоры AMD выбирают сегодня
самые отчаянные экс­периментаторы и фэны компьютерных игр. Осторожные
консерваторы, как правило, делают выбор в пользу проверенной временем марки Intel.

...А тем временем
на горизонте возникают новые игроки. Свой соб­ственный процессор доводит до ума
известный производитель набором микросхем для материнских плат (чипсетов) VIA, доблестно
пытается вновь завоевать рынок дешевых компьютеров некогда популярная Cyrix. Процессорные
битвы продолжаются — но пользователи от этого отнюдь не в проигрыше.

Что благородней
духом — покоряться рекламным «пращам и стре­лам», щедро рассыпаемым «пляшущими
человечками» от Intel, иль ополчась на «большого брата» назло
ему (и на радость своим играм) вы­брать альтернативный процессор от AMD? — этот вопрос
каждый пользователь решает для себя, руководствуясь лишь собственными вку­сами
и пристрастиями. Как правило, новички останавливают свой вы­бор на проверенных
процессорах от Intel, в то время как опытные лю­бители экспериментов все
чаще выбирают AMD.

Напоследок — еще
один совет. Как известно, процессоры фирм-конкурентов обычно сравниваются с
процессорами Intel в соответст­вии с так называемым «рейтингом
производительности».

Мы тоже
введем свой рейтинг — ценовой. Цены на процессоры ме­няются каждый день, однако
неизменным остается следующее:

• Процессор
начального уровня «для домашних нужд» — от 70 до 150 долл.

• Процессор
«для привередливых» и просто продвинутых пользова­телей — от 150 до 200 долл.

• Процессор
высшего класса (для рабочих станций) — от 250 до 450 долл.

При выборе нового компьютера
ориентируйтесь на процессор вто­рой ценовой категории. В этом случае вы
получите даже несколько из­быточную на сегодняшний день мощность,... которая
обязательно по­надобится вам с выходом, скажем, новой операционной системы или
компьютерной игры. Первому процессору примерно через полгода придется искать
замену, ну а покупка третьего — согласитесь, просто расточительство...

Список
литературы

 

1.  ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
2002 В.П. ЛЕОНТЬЕВ Москва «Олма – пресс»2002 г.