Процессор

Центральный процессор, далее процессор, является одним из главных компонентов компьютера. Часто его называют ЦПУ или CPU (Central Processor Unit — Центральное Процессорное Устройство), а также кристалл, камень, хост-процессор. Именно он выполняет все основные вычисления. И чем мощнее процессор, тем быстрее работает компьютер.

Современные персональные компьютеры используют, как правило, определенный алгоритм обработки данных, называемый архитектурой Фон Неймана, когда инструкции и сами данные хранятся в одной памяти, а сам процесс обработки построен на циклической последовательной обработке данных. Правда, именно последовательность обработки является узким местом такой архитектуры, так как любое данное должно последовательно пройти через процессор, хотя само вычисление может быть однотипным.

Из иных алгоритмов назовем Гарвардскую архитектуру, когда данные и программный код используют разную память.  Однако в этом случае сложно использовать методы программирования, когда нужно поменять код в процессе выполнения программы, нельзя оперативно перераспределять память и т.д. Используется в встраиваемых компьютерах. Другой алгоритм, параллельный, применяется в суперкомпьютерах для ускорения процесса вычисления.

Существуют следующие основные характеристики центрального процессора: тактовая частота, количество ядер, установленная кэш память, вид оперативной памяти, с которой работает процессор, сокет (разъем) и частота системной шины.

Тактовая частота определяет, на какой частоте работает центральный процессор. За один такт может выполняться несколько операций. Чем выше частота, тем быстрее работает компьютер. В 90х годах и в начале 2000х основной фактор увеличения производительности компьютера было увеличение тактовой частоты. Однако со временем оказалось, что существует физический предел увеличения тактовой частоты. Современные производительные процессоры выпускаются с тактовыми частотами от 1.8 до 4 Мгц (2 Мгц обозначает, что за секунду происходит 2 миллиона колебаний, во время которых происходит работа процессора). Бюджетные варианты имеют меньшую частоту, которая меньше указанной выше.

Поэтому высокопроизводительные процессоры стали выпускаться с несколькими конвейерами, потом ядрами. Каждое ядро практически представляет собой отдельный процессор. Чем больше ядер, тем быстрее работает компьютер. Конвейер это промежуточное звено между одноядерным и многоядерным процессором. На компьютере обычно работает несколько задач, например, операционная система, антивирусная программа, браузер и прочее. Если каждая из них будет работать на своем ядре, то они будут работать параллельно друг с другом. Можно распараллелить и обычную программу, но производители математического обеспечения пока еще редко это делают. Но уже появляются первые программы, которые могут работать с несколькими ядрами одновременно, например, Photoshop.

Данные для работы процессора поступают из оперативной памяти, но в силу того, что память медленнее, чем процессор, то процессор может часто простаивать. Чтобы этого не оказалось, между центральным процессором и оперативной памятью располагают кэш память, которая более быстрая, чем оперативная память. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш память и затем в центральный процессор. Когда процессор требует следующее данное, то, если оно имеется в кэш памяти, то берется из него, а если нет, то происходит обращение к оперативной памяти. Дело в том, что программы имеют свойство работать последовательно, выполняя одну команду за другой или производя операции в цикле. Если выполняется цикл, то данные для работы цикла могут находиться в кэше и обращение к оперативной памяти минимально. Если программа выполняется последовательно одна команда за другой, то когда одна команда выполняется, то коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно убыстряет работу, так как ожидание центрального процессора сокращается.

Существует несколько видов кэш памяти. Самая быстрая кэш память 1го уровня, которая находится в ядре процессора. В силу того, что она находится в ядре, то она небольшая по размерам, потому что увеличение объема приводит к сложности процессора. Объем ее составляет от 8 до 128 килобайт.

Следующая кэш память 2го уровня находится также в процессоре, но не в ядре. Она более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память первого уровня. Размер ее может быть от 128 килобайт до нескольких мегабайт.

Существует кэш память 3го уровня, которая более быстрая, чем оперативная память, но менее, чем кэш память второго уровня.

Чем больше объем этих видов памяти, тем лучше, тем быстрее работает процессор и соответственно компьютер.

Как видно из сказанного выше, чем быстрее работает оперативная память, тем лучше. Поэтому следует знать, какую память поддерживает процессор. Он может поддерживать память типа DDR, DDR2, DDR3. Эти виды памяти не совместимы друг с другом. DDR3 работает быстрее, чем DDR2, DDR2 работает быстрее чем DDR.

Следующей характеристикой является сокет (или разъем), в который вставляется центральный процессор. Если процессор предназначен для определенного вида сокета, например, Socket 478, то его нельзя установить в Socket 479. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для центрального процессора и он должен соответствовать типу процессора.

Также основной характеристикой является частота системной шины. Чем больше частота системной шины, тем больше данных передается за отрезок времени. За один такт можно передать для старых компьютеров один бит, для современных несколько. Имеется другой показатель – пропускная способность шины. Он равен частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за один такт. Если частота системной шины равна 100 Мгц, а за один такт передается два бита, то пропускная способность будет 200 Мбит/сек. Если можно передать за один такт 8 бит, то пропускная способность равна 800 Мбит/сек. Ясно, что быстродействие во втором случае будет выше, несмотря на то, что частота системной шины осталась одна и та же. В настоящее время пропускная способность шины начинает исчисляться в гигабитах (или в десятках гигабитов) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше.

Существуют и другие показатели, которые убыстряют работу центрального процессора. Первые компьютеры имели центральный процессор, который работал только с целыми числами. Для того, чтобы выполнить операции с числами с плавающей точкой, нужны были подпрограммы. Со временем стали производить сопроцессор с плавающей точкой, который был специализирован для выполнения арифметических действий. Так как операции с целыми числами занимают основное время процессора (в силу их большого количества), то сопроцессор часто не устанавливали. Сопроцессор требовался практически только для научных и инженерных вычислений. На материнской плате было два разъема: один для установки процессора, который работал с целыми числами и разъем для работы сопроцессора, выполняющего операции с плавающей точкой (форматы чисел приведены в описании программирования на языке Basic).

Со временем сопроцессор стали устанавливать вместе с процессором (в середине 90х годов) в один корпус. Так как сопроцессор большее время находился в ожидании, то решено было использовать его для дополнительных команд. Так появился набор команд ММХ, который содержал 57 новых команд. Так как процессор работы с плавающими числами имел разрядность в 64 бит, то команда ММХ упаковывал несколько данных в одну команду, размером в 64 бит (данные могут иметь размер в 2, 4, 8 байт). Затем выполняется одна команда. Если бы эти действия выполнял процессор, работающий с целыми числами, то ему бы пришлось выполнять несколько команд, меньших по размеру, чем 64 бит.

Программа определяла, работает ли процессор с командами ММХ, и в зависимости от ответа выполнялась часть программы либо с командами ММХ (что ускоряло работу), либо без них. Если программа не имела возможность работы с командами ММХ, то работал целочисленный процессор. Применение данных команд позволило увеличить производительность до 60 % (на задачах, которые требуют ММХ).

Почему в основном выполняются целочисленные операции? Дело в том, что основной объем операций на компьютере занимают операции с видео (графикой) и звуком. Эти программы используют целые числа. Так, описание изображения на экране можно представить как матрицу значений цвета каждого пикселя, а это целое число. Если нужно наложить одно изображение на другое, то опять-таки используются целые числа. Основные операции – это логические операции (логический и арифметический сдвиги, операции и, или, исключающее или и пр.), операции сравнения, и сдвиговые операции. Конечно, многие операции по обработке видео выполняет видеопроцессор, но он не всегда справляется с этой задачей. Поэтому введение команд ММХ увеличивает производительность компьютера.

Компания AMD продолжила развитие данного набора, введя набор 3DNow!, используя новые 21 команду.

Через год компанией Intel был введен новый набор данных: SSE (Streaming SIMD Enhanced — потоковое SIMD-расширение, где SIMD — Single Instruction, Multiple Data — одна инструкция — множество данных). Такие команды уже были 128-битные, появились новые команды и восемь новых регистров для инструкций ММХ. До этого для команд ММХ использовались регистры процессора с плавающей точкой. Добавилось 70 новых команд: пересылки, арифметические, команды сравнения, распаковки, преобразования типов и логические операции. Данный набор начал использоваться в процессорах Pentium III.

SSE2 был разработан, чтобы вытеснить набор ММХ, начал использоваться в процессорах Pentium IV и расширил количество команд до 144.

SSE3 был представлен в 2004 году компанией Intel и вводил 13 новых команд. В частности была добавлена команда для преобразования числа с плавающей точкой в целое и сложения и вычитания нескольких значений, что упростило ряд 3D операций.

SSE4 был представлен в 2006 году и состоит из 54 новых команд (47 относятся к SSE4.1, 7 к SSE4.2). Новые команды позволяли ускорить работу по компенсации движения в видео, векторизации программ и пр.

Кроме этих, имеются и другие наборы: Extended MMX или ЕММI (Extended Multi—Media Instructions –расширенные мульти-медиа инструкции) введенный компанией Cyrix для процессоров серии 686, 3DNow! Extended компанией AMD, которые устанавливаются на процессоры, начиная с Athlon, SSSE3 с новыми 16 командами, которые работают в Intel Core 2 и Xeon, AVX появившихся в 2008 году и имеющих новые команды длиной 256 бит.

Имеются и другие виды усовершенствования работы процессоров. Каждая из улучшает работу компьютера, и эти улучшения вводятся в новые типы процессоров. Первые компьютеры выполняли одну операцию за несколько тактов. Современные за один такт выполняют несколько операций. То есть, от поколения процессоров к следующему поколению улучшается структура процессора и не всегда эти улучшения имеют свое название или имеют название, которое интересно только специалистам.

Сказать как именно и на сколько процентов изменения улучшают работу очень трудно, так как имеется много видов программ. Некоторые требуют больше операций ввода-вывода с жестких дисков, некоторые имеют один вид преобладающих операций, другие обладают иными возможностями, поэтому когда сравнивают процессоры, то их тестируют на разных видах программ, например, графических, игровых и т.д. и потом усредняют по определенным критериям. Кроме того, имеет большое значение, какие другие устройства (материнская плата, в том числе чипсет, видеоподсистема и пр.) установлены на тестируемом компьютере, что может давать разницу в несколько десятков процентов. Некоторые вопросы сравнения процессоров рассмотрим ниже.

В этой главе будут рассматриваться процессоры серии х86, основанные на принципах работы моделей компаний Intel, AMD, Cyrix и других, функционирующих в персональных компьютерах. Так как эти процессоры имеют сходные характеристики, то они рассматриваются на основе процессоров компании Intel, которая до сих пор занимает лидирующие позиции в разработке и производстве центральных процессоров.

Под словом процессор будем понимать центральный процессор, который, как вытекает из названия, является основным в компьютере. Он производит основные вычисления и управляет работой системной шины по передаче данных между различными устройствами компьютера. Каждый процессор новой версии может обрабатывать те же программы, с которыми работал старый процессор, а после установки процессора не требуется использования драйверов и нового математического обеспечения.

Типы процессоров. Основной компанией, которая выпускает центральные процессоры для персональных компьютеров, является компания Intel. Практически все персональные компьютеры начинают отсчет времени с появления первого процессора 8086. И хотя в то время выпускались и другие виды процессоров, именно эта модель стала завоевывать популярность как среди производителей устройств для них, так и среди пользователей. В качестве примера можно привести компьютер компании Apple, который имеет несколько иную модель процессора и не получила такого широкого распространения в силу ее закрытой системы.

Следующая модель называлась 80286, затем 80386, со временем цифра 80 стали опускать и процессоры стали называть тремя цифрами: 286, 386, 486. Поэтому часто поколение разработанных процессоров называют семейством х86. В настоящее время выпускаются и другие модели процессоров, например, семейства Alpha, Power PC и другие, но они не используются в тех компьютерах, которые рассматриваются в этой книге, хотя некоторые из них могут выполнять прикладные задачи, например, с использованием Windows NT.

Первые модели центрального процессора Intel помогала внедрить другим компаниям, в том числе и AMD, что способствовало распространению центральных процессоров семейства х86. Чтобы использовать 386 процессор, компания AMD добилась через суд разрешения на клонирование (то есть копирование) этого типа, но ей было запрещено использовать разработки компании Intel в следующих поколениях процессоров. Поэтому AMD стала разрабатывать следующие модели процессоров собственными силами и некоторые модели были довольно удачными, например, 486 с тактовой частотой 133 Мгц. Со временем обе компании стали разрабатывать новые виды и копировать удачные решения друг у друга. Для упрочения своих позиций компании создают новые возможности, так, компания AMD разработала систему 3DNow!, и хотя компания Intel до сих пор занимает лидирующие позиции в производстве центральных процессоров, рынок дешевых компьютеров постепенно в течение нескольких последних лет переходит к другим компаниям. В ходе этого состязания продукция компаний дешевеет и процессоры становятся все производительнее, а падение цен на процессоры происходит несколько раз в год, что выгодно потребителям.

Типы процессоров

Основными характеристиками процессоров является частота и количество разрядов, по которым можно адресовать данные. Частота измеряется в герцах, и чем больше она, тем быстрее работает процессор. Один герц обозначает один цикл в секунду и обычно указывается скорость работы в килогерцах (Кгц или 1 000 циклов в секунду), или мегагерцах (Мгц или 1 000 000 циклов в секунду), или гегагерцах (Ггц равен 1 000 000 циклов в секунду). Повышение разрядности улучшает производительность компьютера. Рассмотрим основные типы процессоров, которые могут быть: 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III и Pentium IV. Celeron обозначает урезанный вариант процессора Pentium. После названия обычно приводится тактовая частота процессора, например, Celeron 450, что обозначает тип процессора (Celeron) и тактовую частоту (450 Мгц), на которой он работает.

Количество обрабатываемых данных одновременно. Одной из характеристик процессора является количество данных, обрабатываемых за один такт. Чем больше данных может быть обработано, тем выше производительность у процессора, тем быстрее они обрабатываются. В первых процессорах серии 8086 процессор обрабатывал по 16 бит данных. Эта характеристика непосредственно связана с размером регистров внутри ЦП. Если размер регистров 16 бит, то центральный процессор обрабатывает 16 бит одновременно. Характеристики других процессоров этой серии можно посмотреть далее в этой главе.

Другой главной характеристикой процессора является количество данных, которыми он может обмениваться с внешними устройствами или пропускная способность шины. Отметим, что оперативная память является внешним устройством для процессора. При этом, чем больше данных одновременно будет отправлено/получено, тем выше производительность процессора. Эта характеристика определяется количеством линий системной шины для одновременной передачи данных. Чем их больше, тем больше данных может быть передано. В первых процессорах было от 8 до 16 подобных линий, затем 32, а для связи с оперативной памяти — 64.

С появлением новых видов процессоров действует эвристическое правило Гордона Мура (одного из основателей компании Intel), которое гласит, что каждое десятилетие количество элементов в процессоре увеличивается в 100 раз, а цены на процессоры за полтора года падают в два раза.

Каждый новый вид процессора имел преимущества перед предыдущими моделями. Как правило, это касается его быстродействия, например, вводятся новые виды команд, скажем, ММХ для того, чтобы повысить производительность процессора при работе с графикой (как правило, это нужно для игровых программ). Кроме того, могут вводиться новые элементы в сам процессор (например, кэш внутри процессора), которые не меняют принципов работы процессора, но обеспечивают его повышенную производительность.

Компьютеры 486 серии имели тактовую частоту 25 и 33 Мгц. В первых моделях Pentium основные частоты составляли 50, 60, 66 Мгц. Современные компьютеры выпускаются с частотами 100 и 133 Мгц и выше. В силу того, что процессор работает на собственной частоте, превышающей частоту системной шины, вводится умножающий коэффициент, который свидетельствует о количестве тактов, производимых процессором за один такт системной шины. Например, процессор Pentium 120 имеет тактовую частоту 120 Мгц, а частоту системной шины 60 Мгц, то есть за один такт системной шины произойдет два такта у процессора. Этот коэффициент может быть не целым числом, например, у процессора Pentium 166 частота процессора составляет 166 Мгц, а частота системной шины 66 Мгц, то есть умножающий коэффициент равен 2,5. В этом случае за два такта системной шины происходит 5 тактов центрального процессора.

Рассмотрим основные виды процессоров.

8086. Первым процессором для серии персональных компьютеров был процессор, который назывался 8086 и был создан в 1978 году. Часто компьютеры с этим процессором называют PC XT (произносится как пи си икс ти). Данный процессор имеет внутреннюю и внешнюю разрядность для данных — 16, для адреса — 20 разрядов и так­товую частоту от 4,77 до 10 Мгц (мегагерц). Внутренняя разрядность означает, с какой разрядностью выполняются логические и арифметические операции. Внешняя разрядность обозначает количество разрядов, по которым процессор может адресовать данные по внешней шине (2¹⁶ = 64 Кб). Она разделяется на: шину данных, то есть количество линий, по которым передаются данные, и шину адреса, — количество линий, по которым передаются адреса. Благодаря сегментной организации памяти (один сегмент равен 64 Кб, а количество непересекающихся сегментов равно 16) можно адресовать значительное количество памяти, которая в 8086 процессорах достигала 1 Мб (или 2²⁰ = 1 Мб). Одна операция выполнялась за несколько тактовых операций, поэтому общая производительность составляла менее 1 млн. операций в сек.

Следующий пара­метр — тактовая частота работы процессора. Чем она больше, тем быстрее работает процессор. Например, если тактовая частота одного процессора равняется 10 Мгц, а другого 4,7, то первый работает в 10/4.7=2.12 раза быстрее. Это относится только к процессорам, так как производительность самого персонального компьютера в целом зависит от многих параметров. Однако одним из основных как раз и является частота процессора. Иногда компьютер с процессором большей частоты работает медленнее, чем с меньшей. Это происходит из-за того, что другие характеристики значительно хуже, но это встречается довольно редко и в дальнейшем будет более подробно описано. Если имеется старый тип компьютера, то модернизировать его невыгодно, так как придется менять очень много устройств, поэтому проще приобрести новый компьютер.

Далее в тексте приведены основные типы процессоров, при этом год их выпуска указан приблизительно, так как дата выпуска является условной и может означать: дату, когда был разработан процессор, когда выпущен тестовый экземпляр или когда начался его массовый выпуск.

В 1979 году был выпущен процессор 8088, который являлся аналогом процессора 8086, был дешевле, но имел внешнюю шину данных 8-бит, а не 16 бит, то есть пересылка происходила за два такта. Поэтому он работал медленнее.

80286 (или просто 286). Процессор 80286 начал выпускаться в 1982 г., внутренняя разрядность и внешняя, а также адресная шина имели 16 разрядов, шина данных — 24 разрядов, с адресацией до 16 Мб (2²⁴) и частотой 12-20 Мгц. Часто этот вид компьютеров назывался PC AT (произносится как «пи си эй ти»). В этом процессоре добавилось несколько новых машинных команд, появился защищенный режим, который осуществлялся аппаратными средствами. Процессор также поддерживал реальный режим, который использовался в процессорах 8086, появилось средство контроля перехода за границу сегмента. Однако существовали трудности при переходе из защищенного в реальный режим, которые были преодолены только в 386 процессоре.

Отметим, что математическое (то есть программное) обеспечение каждого следующего вида совместимо, то есть программа будет работать на компью­тере более поздних типов, но не наоборот. Это значит, что программа, работающая с процессором 386 типа, будет работать на процессорах типа 486 и Pentium, но может не работать на процессорах типа 286.

80386 (или просто 386). Процессор 80386 создан в 1985 году, стал уже 32-разрядным (внутренняя разрядность, внешние шины данных и адресации) и мог адресо­вать до 4 Гбайт (2³²) оперативной памяти и 64 Гбайт виртуальной; тактовая частота могла быть от 16 до 40 Мгц. На материнской плате стала устанавливаться кэш-память, доступ в которой к процессору быстрее, чем по системной шине, что увеличивает производительность компьютера. В процессоре появился режим виртуального процесса 8086, при котором один процессор может работать с несколькими независимыми задачами, которые работают так же, как в режиме реального времени. При этом использование памяти управляется аппаратными средствами процессора. Кроме того, на материнской плате появилась кэш-память.

В силу того, что первона­чально цена на эти модели была достаточно высокой, был изготовлен процессор 386SX, который был дешевле, но содержал не 32, а 16 разрядов внешних данных. 32-разрядные процессоры называются 386DX. Для переносных компьютеров использовались модели SL и SLC с пониженным энергопотреблением.

80486. Процессор 486 остался 32-разрядным (внутренняя разрядность, внешние шины данных и адресации) с той же адресацией — 4Гбайт (2³²) и частотой от 25 до 133 Мгц. Был создан в 1989 году. Одним из основных новшеств данной модели является наличие внутренней кэш-памяти в самом процессоре (или кэш-память первого уровня) для данных и команд, увеличи­вающее производительность процессора. Дело в том, что данные передаются по системной шине между оперативной памятью и процессором. Если первые процессоры (8086) обрабатывали команду за несколько тактов системной шины, то теперь за один такт выполняется несколько команд. За один такт системной шины процессор может передать одно данное или команду и выполнить несколько команд при наличии кэш-памяти в самом процессоре. Можно вызвать данные за один такт процессора, так как кэш-память работает на тактовой частоте процессора, то есть делает несколько тактов во время одного такта системной шины. Таким образом, в результате снижается вероятность простоя процессора. Чем больше размер кэш-памяти, тем быстрее будет работать процессор. Многие модели содержат 2, 8, 16 Кбайт этой памяти. Кроме того, организован механизм конвейеризации вычислений.

Машинная инструкция состоит из нескольких микрокоманд, которые нужно обработать. Поэтому, грубо говоря, когда одна команда выполняется, другая транслируется, а третья подается на вход. На самом деле может существовать большее количество ступеней обработки команд и большее число конвейеров. Поэтому после выполнения текущей команды следующая команда готова для выполнения и время работы компьютера с командами сокращается. Одной из основных проблем здесь является предсказание команд, которые будут выполняться следующими. Как правило, это следующая команда, которая располагается за выполняемой. Однако в программе существуют переходы и число их бывает значительным, например, в цикле, когда одна и та же последовательность команд выполняется несколько раз. Имеется специальный блок, который с определенной степенью вероятности предсказывает, какая команда будет выполняться следующей, и от этой степени зависит производительность компьютера. В настоящее время обеспечена достаточно высокая степень предсказаний, которая больше 90 процентов, иногда приближаясь к 99 процентов, что улучшает работу компьютера. Кроме того, добавлено несколько новых команд, введены буферы отложенной записи, включена защита страниц памяти от записи, возможности тестирования процессора и пр., что приводит к увеличению производительности даже при такой же тактовой частотой, что и у 386 процессоров.

Одним из отличий данного вида процессоров от предыдущих является наличие встроенного сопроцес­сора в одном корпусе. Обычный процессор выполнял операции с целыми числами. Чтобы выполнить операции с плавающей точкой (или с дробными, например, 17,35 х 8,76), вместо одной команды процессор, работающий с целыми числами, должен выполнить несколько команд, что замедляет работу компьютера. В работе программ научных расчетов используется много операций с плавающей точкой, поэтому для ускорения работы необходимо монтировать на материнскую плату специальный сопроцессор, который специали­зируется на обработке именно этих чисел и ускоряет работу. Однако для серии 486 сопроцессор был уже совмещен в одном кор­пусе вместе с процессором. Вначале такой процессор был достаточно дорог и назывался DX. Для того, чтобы снизить его стоимость, был разработан процессор без встроенного сопроцессора, получивший имя 80486SX (тактовые частоты 16-33 Мгц). Затем была выпущена следующая модель, у которой тактовая частота в два раза выше, чем си­стемная шина с названием 80486DX2 (рабочие частоты процессора: 50-66) и соответственно выше в 3-4 раза с названием 80486DX4 (75-133). Например, процессор (DX2) с частотой 66 Мгц работает с системной шиной 33 Мгц и выполняет две команды за один системный такт, (DX4) с частотой 100 Мгц работает с шиной 33 Мгц и выполняет три команды за один такт. Для переносных компьютеров используется модель SL с пониженным энергопотреблением.

Процессоры 486 серии устанавливались в сокет 1 с количеством контактов по бокам матрицы 17 х 17, а также сокет 2,3,4 с матрицей 19 х 19. Процессоры 486 и серии Pentium имеют большее энергопотребление (для 486 — 5 вольт) по сравнению с 80386 и в силу своих размеров могут перегреваться, поэтому для охлажде­ния над ними стал устанавливаться специальный вентилятор, который охлаждает его. Этот вентилятор не нужно снимать — это может привести к перегреву процессора и соответственно к его поломке.

Pentium (или 586, или Р5) создан в 1993 году и имеет тактовые частоты: 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 Мгц. Внутренняя разрядность — 32, внешней шины данных — 64 и адресной шины данных — 32, с той же адресацией — 4Гбайт (2³²). Процессоры становятся все более и более сложными по количеству элементов, число которых составляет уже миллионы. Чтобы поместить их на одну плату небольшого размера, используется технология CMOS, причем размер элементов становится все меньше и меньше. Первые модели процессора Pentium (Pentium 60 и 66) выпускались в корпусе SPGA с 273 контактами, устанавливались в сокет 4, с минимальным размером СМОS- технологии 0,8 мкм, и их называют процессорами первого поколения. Рассчитаны они были на 5 вольт, поэтому сильно нагревались. Чем больше напряжение, тем сильнее нагревается процессор. Остальные типы процессоров уже относятся к второму поколению, называются Р54С, имели 0,6 и 0,35 мкм технологию, используют 3,3 вольт и меньше. Они имеют 296 контактный корпус SPGA, устанавливаются в сокет 5 и 7, и работают быстрее, чем системная шина, в отличие от процессоров первого поколения. Кроме того, у процессоров второго поколения имеется возможность значительного снижения энергопотребления в нерабочем состоянии и значительно усовершенствован сопроцессор.

Во всех моделях этого процессора имеется встроенный кэш первого уровня, который находится внутри процессора. Кроме того, он был увеличен до 16 килобайт и разделен на две части: одна для хранения данных, а другая — для хранения инструкций (команд). Кэш-память увеличивает производительность процессора за счет того, что обращение к ней происходит быстрее, чем к оперативной памяти.

Процессор Pentium, помимо высокой тактовой частоты, способен одновременно выполнять три операции: две с простыми числами в блоке самого процессора и одну с плавающей запятой в сопроцессоре, то есть имеет три модуля для обработки команд.

В дальнейшем развивался принцип, называемый спекулятивным или динамическим выполнением, при котором имеется механизм предугадывания следующей команды. Чем точнее предсказание, тем быстрее работает процессор. Примером цикла может служить последовательность обработки пикселов на экране по горизонтали. Одни и те же команды могут обрабатывать один пиксел, затем следующий, и так до конца строки. Другой цикл может обрабатывать строчки, вначале первую, затем вторую и так далее, до конца экрана.

При работе с двумя конвейерами можно написать программу, которая будет иметь две ветви, причем каждая из ветвей независима от другой, то есть создать так называемое поточное исполнение программ. Если вновь взять для примера экран, то обрабатывается независимо друг от друга верхняя и нижняя части экрана.

В последнее время для повышения производительности начали использовать приоритет посылки данных из оперативной памяти в центральный процессор перед операцией записи в нее. Это логически ясно: если процессору требуются данные для текущей операции, то он их не станет ждать, а если бы он их ждал, то находился бы в состоянии простоя.

Как уже говорилось, в данном виде процессоров реализован принцип конвейерной обработки, что позволяет обрабатывать несколько команд одновременно. При этом часть процессора, которая занимается декодированием инструкций и подготовкой данных, называется предпроцессором, собственно процессором можно назвать ту часть микросхемы, которая выполняет сами операции, и постпроцессором — ту часть процессора, которая передает полученные данные.

Как правило, ранние поколения процессоров назывались 286, 386, 486. Следова­ло ожидать, что следующий тип будет называться 586. Однако компания Intel, которая была первой в разработке типов процессоров, решила изменить название на нечто новое, с тем чтобы конкуренты не смогли использовать это название. Так появилось название Pentium. Основные конкуренты-производители процессоров компании Cyrix и AMD начали создавать процессоры со своими именами. Так появилось название 586 компании AMD, которая стоит дешевле, чем аналог Pentium компании Intel. В результате компания Intel вынуждена продавать свои про­цессоры также дешевле.

В целом, сравнивая процессоры разных компаний, можно убедиться, что они примерно равны по своим мощностям и возможностям. Трудность сравнения заключается в том, что имеются разные программы: одни используют в основном целочисленные логические вычисления, в других программах совершаются в основном арифмети­ческие операции, в третьих происходит пересылка большого количества данных. Имеются про­цессоры, которые на некоторых задачах лучше всего предсказывают, какие данные хранить в кэш-памяти первого уровня, чтобы не простаивал процессор, и так далее. Кроме того, программы могут работать с разной скоростью в разных операционных системах, таких, как ДОС и Windows, поэтому сравнение часто бывает условным.

Аналогично появился процессор 686 компании Cyrix, как следующее поколение процессоров. Это процессор, находящийся по возможностям между Pentium и Pentium Pro, ближе к 586 и устанавливается на плате в разъем, разработанный для процессора Pentium. Процессор Pentium имеет 64-раз­рядность (для внешней шины данных) и тактовую частоту от 60 Мгц до 200 и выше. Хотя энергопотребление снижено до 3,3 вольт и ниже, в силу увеличения количества работающих элементов он тоже требует установки вентилято­ра. Внутренний кэш уже больше и разделен на кэш для данных и кэш для команд. Их размеры у раз­личных компаний-производителей неодинаковые и со временем увеличиваются.

В процессоре компании Intel дополнительно увеличено количество ступеней конвейера вычислений до пяти ступеней, два конвейера для обработки команд, то есть параллельно могут обрабатываться две команды, и он стал суперскалярным (был одноконвейерным или скалярным). Имеется буфер для предсказания переходов, в котором хранятся данные о последних 256 переходах (передачи управления), раздельный кэш команд и данных, более быстрый сопроцессор, введены средства управления энергосбережением, имеются и другие новшества, которые убыстряют работу данного процессора.

В процессорах компании AMD имеется 4 конвейера, большая кэш-память и некоторые другие возможности, в то же время он дешевле, чем процессор компании Intel. Для процессоров данной компании имеется другой критерий установки тактовой частоты. Процессор проверяется по производительности, используя специальный тест, затем выбирается наименьший результат среди процессоров Pentium по производительности. Данное значение и присваивается процессору компании AMD, например, Х5-100 выше по производительности, чем Pentium-100, но слабее, чем Pentium-120 (следующее значение среди процессоров серии Pentium по тактовой частоте).

Второй наиболее известной компанией, выпускающей процессоры для персональных компьютеров, является компания Cyrix, которая выпускает процессоры с названием Cyrix 6х86, стабильно работает как с 16-разрядными, так и с 32-разрядными приложениями. Отметим, что для обыкновенного пользователя вполне достаточно использовать компьютер с довольно небольшой тактовой частотой. Как правило, большая производительность требуется для игр.

Pentium ММХ создан в 1997 году и имеет тактовые частоты: 166, 200, 233. Следующей моделью серии Pentium стал процес­сор Pentium с приставкой ММХ (Pentium ММХ — произносится «Пентиум эм-эм икс»), созданный компанией Intel и часто называемый мультимедиа. Процессоры предыдущих поколений обрабатывают одно данное в текущий момент времени и не могут обрабатывать несколько одновременно. Для того, чтобы убыстрить работу, были введено 57 новых инструкций и восемь 64-разрядных регистров (машинных команд), которые могут обрабатывать несколько данных в одной команде, что особенно важно для программ, работающих с изображением и звуком.

Принцип работы данного вида процессоров следующий. Несколько однотипных данных соединяются вместе до 64-разрядного целого числа и одной командой за один такт обрабатываются одновременно. Например, если данное имеет длину 16 разрядов, то одновременно можно выполнить 4 (64=4*16) однотипных операций. Отметим, что данные для команд ММХ помещаются в регистры процессора с плавающей запятой, а не в общие регистры. Процессор, позволяю­щий работать с ними, назван ММХ.

Кроме того, в процессоре кэш для команд и данных увеличен в два раза и составляет по 16 Кбайт, увеличена длина конвейера до 6 ступеней, блок предсказаний взят у Pentium Pro, появился встроенный тест для работы процессора, имеются другие улучшения структуры процессора. Блок предсказаний может быть статическим, то есть предсказывать по определенным алгоритмам, и динамическим, то есть осуществлять анализ предыдущих ветвлений. В данном процессоре одновременно применяются статический и динамический блоки предсказаний переходов.

Другие компании также используют те же символы для обозначения своей продукции с набором расширенных команд. По этому поводу произошло судебное разбирательство между компанией Intel и ее конкурентами. Компания Intel проиграла этот процесс, и ее конкурентам разрешили использовать наименование ММХ на том основании, что это не торговая марка, а название продукции, имеющее определенные возможности. Поэтому сейчас можно встретить названия типа М2 (686 ММХ), К6-200ММХ и другие, где присутствует приставка ММХ. Материнская плата для Pentium ММХ такая же, как и для Pentium, однако содержит дополнительный разъем для питания процессо­ра.

Для работы процессора с ММХ необходимо, чтобы программа могла использовать расширенные команды. Если программа создана в 1996 году и ранее, то вряд ли процессор будет работать с такими расширенными командами. Может ли программа, использующая дополнительные инструкции, работать с процессором Pentium без приставки ММХ? Как правило, да. Программа обычно определяет: работает ли процессор с набором команд ММХ, если нет, то будут использоваться обычные команды, однако это приведет к большему времени работы компьютера.

8 новых регистров — регистры сопроцессора. В сопроцессоре имеются регистры, которые имеют 16 бит, определяющие степень числа (экспонента) и 64 бита для мантиссы (значения после запятой). Команда мультимедиа использует 64-разрядную часть регистра, в которую можно поместить данные и их обработать. Например, если цвет пиксела на экране кодируется при помощи 8 бит, то в регистр можно поместить данные о восьми пикселах и обработать их одновременно. В то же время, при операциях с числами с плавающей запятой сопроцессор переключается в этот режим и начинает выполнять эти операции. При возникновении необходимости работать опять с командами ММХ снова происходит переключение. Операция переключения требует некоторого времени, что может замедлять работу процессора, но, если это происходит не часто, то в целом получается выигрыш по времени.

Таким образом, при работе с обычными данными производительность процессоров ММХ будет на 10-15% выше, чем простых процессоров Pentium. Программы, использующие возможности ММХ (в основном игры, просмотр видеофильмов, создание векторных рисунков), работают еще быстрее. Процессор ММХ выпускается по 0,35 мкм технологии, требует 3,3 и 2,8 вольт напряжения.

Для процессора используется специальное гнездо под названием Socket 7 (гнездо 7) или иначе называемое 7 ZIF (Zero Insertion Force 7 — вставка с нулевым усилием), требует 2 номинала напряжения питания и соответствующего программного обеспечения BIOS. Данный разъем используется и другими компаниями.

Pentium Pro создан в 1995 году и имеет тактовые частоты: 150, 166, 180, 200 Мгц. Внутренняя разрядность — 32, внешней шины данных — 64 и адресной шины данных — 36. Имеет кэш-память 1-го уровня для команд — 8 Кб и для данных — 8 Кб, включает встроенную в корпус кэш-память 2-го уровня, объем которой доходит до 1 мегабайта, повышенную устойчивость к сбоям, внутренний усовершенствованный сопроцессор, алгоритм предсказания ветвлений и другие возможности. В силу того, что этот процессор достаточно дорог, в домашних условиях и в небольших компаниях он используется редко.

Отличие этого процессора от процессора Pentium заключается в том, что, помимо встроенного кэша в процессор, он имеет кэш, который находится рядом с процессором в одном корпусе. Поэтому для передачи данных от процессора к кэш-памяти и обратно используется специальная шина данных. Если вначале кэш, встроенный в процессор или находящийся с ним в одном корпусе, назывался кэш-памятью первого уровня, а на материнской плате – 2-го уровня, то затем произошел переход к новому понятию, когда кэш, который находится в процессоре, называется кэшем первого уровня, кэш, который находится в корпусе с процессором и соединен шиной данных – 2-го уровня, тот, что находится на материнской плате – 3-го уровня.

В процессоре использован принцип динамического (или продуманного) исполнения, который позволяет выполнять следующие за текущей инструкции. Если команда, которая должна быть выполнена следующей, угадана правильно, то время выполнения команд может быть убыстрено, если не угадана, то следующая инструкция будет выполняться заново. Как правило, процент угадывания инструкций достаточно высок.

Процессор имеет 14 ступеней конвейерной обработки вычислений, три конвейера, высокую вероятность предсказания переходов в программе. Если переход предсказан неправильно, то буфер с результатами очищается. Данный процессор лучше всего работает в системе Windows NT, не дает особенных преимуществ при работе с 16-разрядными приложениями и быстрее примерно на 20-30 % по сравнению с Pentium для 32-разрядных приложений. Для данного типа процессоров используется специальная материнская плата, которая не подходит для процессоров Pentium, в которой используется сокет 7.

Pentium II создан в 1997 году на основе Pentium Pro с возможностями ММХ и имеет тактовые частоты: 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 Мгц, двойную независимую шину (Dual Independent Bus), улучшающую пропускную способность шины, встроенный механизм самотестирования, дополнительные режимы пониженного потребления и другие возможности. Тактовая частота кэш-памяти 2-го уровня вдвое меньше тактовой частоты процессора. У процессора Pentium Pro тактовая частота совпадала с тактовой частотой процессора. Для процессора с кэш-памятью 2-го уровня был разработан специальный SECС- картридж (Single Edge Contact Cartridge – картридж с односторонним контактом), в котором разместили процессор и кэш-память 2-го уровня. При этом кэш-память 1-го уровня увеличила свой объем.

Картридж так назван потому, что выводы на нем расположены вдоль одной стороны. Кроме того, из-за многочисленности контактов, чтобы они плотно входили в паз, стали использоваться ZIF гнезда (Zero Insertion Force — нулевая сила вставки) с рычажком, при помощи которого можно зажать контакты. Если раньше разъем, куда вставляется процессор, назывался Socket 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, то теперь название разъема стало называться Slot 1, который имеет 242 контакта. Все права на разработку данного разъема находятся у компании Intel, поэтому другие производители процессоров используют свои гнезда Socket, как правило, Socket 7.

Заметим, что процессор, спроектированный для одного вида разъема, в другой разъем не вставляется, поэтому при покупке материнской платы и процессора нужно убедиться в их соответствии.

Отличие от предыдущих процессоров заключается в использовании двух системных шин, одна между CPU и памятью RAM, вторая между CPU и кэш-памятью второго уровня, что позволило увеличить тактовую частоту шины с 66 Мгц до 100 Мгц (тактовые частоты процессоров 350, 400, 450 гц). Сам процессор располагается в специальном контейнере (SEСC-картридже), в котором находится процессор и кэш-память (512 кб), между которыми имеется специальная рабочая шина, работающая на половинной частоте процессора, и имеет код исправления ошибок (ЕСС). На корпусе процессора установлен вентилятор, а для подключения к материнской плате используется специальный новый разъем, который называется Slot 1.

Данный процессор использует отдельную шину для видеокарт AGP (Advanced Graphics Port – расширенный графический порт). Другие характеристики, включающие в себя: количество ступеней конвейеров (3) и предсказание переходов — аналогичны системе Pentium Pro. Pentium II Xeon характеризуется большим объемом кэш-памяти, которая работает на одной тактовой частоте вместе с процессором. Для установки процессора используется Slot, который имеет 330 контактов, расположенных на трех уровнях.

В 1998 годах выпущен процессор Celeron I с тактовыми частотами: 266, 300, 333, 366, 400, 433, 466, 500, 533, далее Celeron II 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800, 850, 900, который аналогичен процессору Pentium II ММХ, но не имеет или имеет меньшую кэш-память второго уровня, чем процессоры Pentium II. Модель Covington имеет встроенную кэш-память 32 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Mendocino имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц; модель Coppermine имеет встроенную кэш-память 128 кбайт, работает на частоте системной шины 66 Мгц, устанавливается для картриджа SECC в Slot 1, а PPGA в Celeron Socket. По параметру производительность/цена он имеет не лучший показатель в самых первых моделях, но неплохо зарекомендовали себя в последующем, включая самые последние модели. Преимуществом покупки данного процессора является возможность замены в будущем на новый процессор, так как не требуется смены других компонентов (например, материнской платы, памяти).

Celeron является удешевленным вариантом процессора Pentium II. Первые процессоры выпускались без встроенной кэш-памяти, однако из-за резкого падения производительности ее со временем стали устанавливать, но меньшего объема, учитывая, что для повышения производительности требуется небольшое количество этой памяти (128 Кбайт), а при ее резком увеличении производительность возрастает на небольшую величину. Поэтому наличие небольшого объема кэш-памяти оправдано. Кроме того, эти процессоры выпускались для работы с системной шиной 66 Мгц, а не 100, и расположены они в SEPP, устанавливающийся в Socket 370, который имеет 370 контактов и конструктивно представляет собой прямоугольник, как и разъем Socket 7.

Pentium III (1999 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров и позволяет работать с новым видом инструкций SIMD (Single Instruction Multiple Data — одиночная инструкция над одиночными данными, также называемая MMX2, KNI (Katmai New Instructions – новые команды Katmai)), которые работают с данными с плавающей запятой. Pentium III имеет старое название Katmai, является модификацией Pentium II. Данные операции повышают производительность трехмерной графики и видеоприложений. Кроме того, компания Intel осуществила переход на 0,18 мкм технологию (серии Coppermine и Xeon). Имеет тактовую частоту 533, 550, 600, 650, 667, 700, 733, 750, 800, 850, 866, 933, 1 000, 1 130, 1 200 и выше с частотой системной шины 100-133 Мгц, устанавливаются в корпусе PPDA в Socket 370 и SECC в Slot 1.

Для использования команд SIMD используются дополнительные 128-разрядные регистры. В этих регистрах можно одновременно выполнить несколько целочисленных операций или операций с плавающей запятой. Кроме того, имеются операции, специально предназначенные для кодирования и декодирования изображений, например, вычисление среднего значения из нескольких.

После того, как компания Intel ввела команды ММХ, компания AMD создала набор команд 3DNow!, которые повышают производительность компьютера, особенно для трехмерных задач в играх. Другие компании (Cyrix и пр.) также присоединились к этой технологии и стали выпускать процессоры, которые поддерживают данный набор команд, а компания Microsoft обеспечила поддержку этих команд в системе Windows. В ответ на эту разработку компания Intel и ввела новый набор команд SSE (Streaming SIMD Enhanced — потоковое расширение).

Возможности дополнительных наборов команд используются в основном в игровых программах, в других программах довольно редко, а 3DNow! используется более активно, так как входит в систему Windows.

Pentium II имел несколько видов процессоров, которым дали наименование при их разработке, это: Klamath, Deshutes, для Pentium III – Katmai, Coppermine, Tanner, Cascades, для Celeron – Covington, Mendocino, Coppermine. Pentium IV с тактовой частотой 1,4 Ггц имеет название Willamate, имеет кэш-память 1-го уровня 256 Кб, второго 512-1024 Кб, использует системную шину 100 Мгц и 133 Мгц, которая передает за один такт несколько данных. Таким образом, пропускная способность шины 133 Мгц достигает 3,2 Гбайт/сек, вставляется в Socket 462. Вышеописанные процессоры выпускаются в основном компанией Intel. Другие компании также выпускают свои процессоры, причем их параметры не сильно отличались для 86, 286, 386. Однако в 486 расхождения стали увеличиваться.

Процессоры, выпускаемые компанией-производителем, могут со временем корректироваться, то есть в них вносятся улучшения и выпускаются новые подверсии, однако пользователю они мало что говорят, и, как правило, о них не пишут.

Pentium IV (2001 г.) представляет собой дальнейшее развитие процессоров на основе гиперконвейерной обработки с глубиной на 20 стадий, улучшенное предсказание переходов, имеет блок быстрого выполнения команд (Rapid Execution Engine) и скорость системной шины 400, 533, 800 Мгц. Кэш-память первого уровня содержит 8 кб (16кб для процессоров по 0.09 нм технологии), второго – 256 Кб (512 кб для процессоров по 0.13 нм технологии), отслеживает выполнение команд (Execution Trace Cache). Кэш-память второго уровня работает на половинной частоте центрального процессора. Частоты процессора бывают 1 300, 1 400, 1 500, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 600, 2 800, 3 00, 3 060, 3 200, 3 400 и более Мгц.

Центральные процессоры, работающие с системной шиной с частотой 800 МГц могут иметь следующие частоты: 2 400, 2 600, 2 8000, 3 000, 3 200, 3 400, 3 600 Мгц. С системной шиной 533 МГц – 2 260, 2 400, 2 530, 2 660, 2 800, 3 060 Мгц. С системной шиной 400 МГц – 1 700, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 400, 2 500, 2 600 Мгц.

Отметим, что цифры частоты системной шины не соответствуют действительной частоте шины. Так, когда говорится о частоте 533 Мгц, то на самом деле она равна 133 Мгц, но за один такт посылает не одно данное, а четыре. Поэтому за одну секунду можно передать 133 * 4 = 532 миллионов бит, что округляется до 533 Мгц, что удобнее. На самом деле передача четырех данных за один такт по 133 Мгц шине несколько медленнее, чем передача одного данного по 533 Мгц шине. Происходит это из-за того, что при передаче возможны случаи, когда за один такт можно передать только одно данное, например, управляющий символ. Практически все частоты свыше 200 Мгц являются либо удвоенными, либо учетверенными от начальной частоты.

В последних моделях этих процессоров все чаще применяется новая технология, называемая Hyper-Threading, впервые примененная компанией Intel. Еще эту технологию называют «многопотоковой». Эти процессоры устроены таким образом, что операционная система видит не одно устройство, а как бы два, что позволяет выполнять многие приложения одновременно. Без этой технологии каждая программа выполняется последовательно и ожидает своей очереди на ресурсы процессора. Теперь, при совершении сложных вычислений, не происходит простоя в работе программ. Оптимально данная технология может использоваться в системе Windows ХР и более новых системах. В системе Windows 2000 после установки нового процессора, желательно заново установить операционную систему. В системах Windows 98 и Windows МЕ желательно в BIOS отключить функцию Hyper-Threading. Для того, чтобы узнать включена ли эта функция, нужно просмотреть указаны ли два процессора в режиме Пуск →Панель управления →Система →Оборудование →Диспетчер устройств →Процессоры.

Процессоры Pentium IV, изготовленные по 0,09 нм технологии, поддерживают новый вид команд SSE3, в которых добавлены 13 новых команд. Процессоры поставляются вместе с вентилятором и наклейкой, на которой находится номер и марка процессора. Это сделано для того, что номер и марка процессора под вентилятором не видны. Наклеив наклейку на системный блок, можно без труда определить параметры процессора.

Здесь есть определенные ограничения. Многие тесты, запущенные на таких процессорах, позволяют с определенной степенью достоверностью утверждать, что прироста производительности при использовании наиболее распространенных программ, как Microsoft Word или Microsoft Excel не обнаруживается. Однако, при запуске программ со значительным количеством вычислений, требующих одновременной работы процессора, например, при применении фильтров в программе Adobe Photoshop, выигрыш может быть весьма значительным.

Mobile Pentium 4-M создан для ноутбуков в 2002-03 годах. (0.13 мкм, транзисторов 55 млн), кэш второго уровня 0.5 Мб, пропускная способность шины 400 Мб/с, поддерживает до 1 гигабайта оперативной памяти. Частоты – 1.4 – 2.6Ггц.

Pentium 4EE выпущен в 2003 году на основе Penrium 4 (Gallatin), но с 2 мб кэш.

Pentium 4E выпущен в 2004 году (0.09мкм или 90 нм). Пропускная способность шины 533 и 800 Мгц (поддерживает Hyper-Threading). Наборы инструкций: x86, x86-64, MMX, SSE, SSE2, SSE3, кэш второго уровня 1-2 МБ. Длина конвейера целочисленных команд увеличена с 20 до 31 ступеней.

Pentium 4F представлен в 2004 году. Частота 3,2—3,6 ГГц.

До этого момента были описаны процессоры с 32битной архитектурой, далее идут с 64-битной архитектурой.

Pentium 4F, D0, D представлены в 2004-5 году, имеют микроархитектуру NetBurst. Отсутствует технология Hyper-Threading. Процессор двухъядерный (Dual-core), пропускная способность шины: 800 (4×200) Мб/с, частота процессора 2,8—3,4 ГГц, кэш L2: 2-4 МБ. Производительность данных процессоров увеличилась примерно на 60 % по сравнению с одноядерным микропроцессором Prescott.

Pentium Extreme Edition имеет двухъядерный (Dual-core) процессор, поддержку Hyper-Threading, пропускная способность шины: 1066 (4×266) Мб/с, частота процессора 3.2, 3.46, 3.73 Ггц (90 или 65 нм). Кэш второго уровня 2-4 Мб.

Xeon был представлен в 2004-6 годах. Имеет модели: Nocona, Irwindale, Cranford, Potomac, Paxville DP (2.8 ГГц), Paxville MP (двухядерный, 90 нм, частота процессора 2.67 — 3.0 ГГц), Dempsey (65 нм, частота процессора 2.67 — 3.73 ГГц, представлен в 2006 году, двухядерный, шина 667 или 1066, кэш – 4 мб), Woodcrest (65 нм, двухядерный процессор, поддержка SSE4, частоты 1.6-3.0 Ггц, кэш второго уровня 2Мб, пропускная способность шины 1066, 1333 Мб/с), Clovertown (65 нм, четырехъядерный Quad-Core процессор, SSSE3, частота процессора 1.6 – 2.66, пропускная способность шины 1066, 1333 Мб/с),

Pentium Dual—Core создан в 2006 году (32 битная архитектура) (65нм=0.065мкм) (Yonah). Пропускная способность шины 533 МГц, частота 1.60; 1.73; 1.86 Ггц. Кэш второго уровня 1-2 Мб, (Xeon LV) (Sossaman) пропускная способность шины 667 Мб/с, кэш второго уровня 2 Мб, частота 2.0 Ггц SSE3 SIMD инструкции.

Intel Core 2 имеет модели: Conroe (65 нм, представлен в 2006 году, SSE3, частота процессора 1.86 – 3.0, 2-4 Мб кэш второго уровня, пропускная способность шины 1066, 1333 Мгц), Allendale (65 нм, представлен в 2007 году, SSE3, частота процессора 1.6 – 2.6 Ггц, пропускная способность шины – 800 Мб/с, кэш второго уровня 2 Мб, Conroe XE (65 нм, представлен в 2006 году, частота процессора 2.93, 3.2 Ггц, пропускная способность шины – 1066 Мб/с, кэш второго уровня 4 Мб), Merom (для ноутбуков, 65 нм, представлен в 2006 году, частота процессора 1.06 — 2.6 Ггц, пропускная способность шины – 533 — 800 Мб/с, кэш второго уровня 2-4 Мб), Kentsfield (65 нм, четыре ядра (Quad Core), представлен в 2006 году, частота процессора 2.4 — 3.0 Ггц, пропускная способность шины – 1066 — 1333 Мб/с, кэш второго уровня 2-4 Мб), Wolfdale/Yorkfield (45 нм, SSE4.1, двух и четырехядерный, представлен в 2007-8 годах частота процессора 2.53 — 3.33 Ггц, пропускная способность шины – 1066, 1333 Мб/с, кэш второго уровня 3-12 Мб),

Pentium Dual Core имеет модели: Merom-2M (65 нм, для ноутбуков, представлен в 2006 году, частота процессора 1.46 — 1.86 Ггц, пропускная способность шины – 533 Мгц, кэш второго уровня 1 Мб), Allendale (65 нм,  представлен в 2007 году, SSE3, частота процессора 1.6 — 2.4 Ггц, пропускная способность шины – 800 Мгц, кэш второго уровня 1 Мб), Wolfdale (45 нм представлен в 2008 году, частота процессора 2.8 — 2.93 Мб/с, пропускная способность шины – 1066 Мб/с, кэш второго уровня 2 Мб).

Celeron Dual Core является упрощенным и более дешевым (как правило за счет меньшей кэш памяти) вариантом Pentium Dual Core, появился в 2006 году.

Intel Atom -32-битные процессоры, дешевые модели за счет уменьшенной кэш памяти 2го уровня, меньшей частотой системной шины, имеет модели: Silverthorne (45 нм, для ультрамобильных систем, представлен в 2008 году, поддерживает SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, частота процессора 0.8 — 2.0 Ггц, пропускная способность шины – 400, 533 Мб/с, кэш второго уровня 0,5 Мб), Diamondville (45 нм, для нетбуков, представлен в 2008 году, поддерживает SSE, SSE2,SSE3, SSSE3, частота процессора 1.6 — 1.66 Ггц, пропускная способность шины – 533 — 667 Мб/с, кэш второго уровня 0,5 Мб).

Intel Core i3 имеет шину данных – DMI и следующие модели: Clarkdale (32 нм, 2 ядра, 4 потока, частота процессора 2.93 – 3.33 Ггц, кэш второго уровня 0,5 Мб, третьего – 4 Мб), Arrandale (32 нм, для ноутбуков, 2 ядра, 4 потока, частота процессора 1.2 – 2.53 Ггц, кэш второго уровня 0,5 Мб, третьего – 3 Мб).

Intel Core i5 появился в 2009, 10 годах, поддерживает SSE3, SSSE3, SSE4.1 и SSE4.2, имеет следующие модели: Lynnfield (45 нм, 4 ядра, частота процессора 2.4 – 2.8 Ггц, кэш второго уровня 1 Мб, третьего – 8 Мб), Clarkdale (32 нм, 2 ядра, частота процессора 3.2 – 3.6 Ггц, кэш второго уровня 0,5 Мб, третьего – 4 Мб), Arrandale (32, для ноутбуков, 2 ядра, частота процессора 1.06 – 2.67 Ггц, кэш второго уровня 0,5 Мб, третьего – 3 Мб).

Intel Core i7 поддерживает SSE3, SSSE3, SSE4.1 и SSE4.2, существуют следующие модели: Gulftown (32 нм, представлен в 2010 году, 6 ядер, 12 потоков, частота процессора 3.2 – 3.46 Ггц, 6×256 Кбайт L2-кэш (кэш второго уровня),12 Мбайт L3 (кэш третьего уровня), Bloomfield (45 нм, 4 ядра 8 потоков, представлен в 2008 году, частота процессора 2.66 – 3.33 Ггц, кэш второго уровня 1 Мб, третьего – 8 Мб), Lynnfield (45 нм, 4 ядра, представлен в 2009 году, частота процессора 2.53 – 3.06 Ггц, кэш второго уровня 1 Мб, третьего – 8 Мб), Arrandale (32 нм, 2 ядра, 4 потока, представлен в 2010 году, для ноутбуков, частота процессора 1.06 – 2.8 Ггц, кэш второго уровня 0,5 Мб, третьего – 4 Мб).

Intel Core i7 Extreme Edition имеет следующие модели: Bloomfield (45 нм, 4 ядра, 8 потоков, частота процессора 3.2 – 3.33 Ггц, кэш второго уровня 1 Мб, третьего – 8 Мб), Gulftown (45 нм, 6 ядер, 12 потоков, частота процессора 3.33 – 3.46 Ггц).

В последнее время выпускаются процессоры второго поколения (все по 32 нм, поддерживают набор SSE4.1, SSE4.2, или AVG, или оба набора):

Intel Core i3 имеет шину данных – DMI и следующую модель: Sandy Bridge (32 нм, 2 ядра, 4 потока, частота процессора 2.5 – 3.4 Ггц, кэш третьего уровня – 3 Мб).

Intel Core i5 имеет шину данных – DMI и следующую модель: Sandy Bridge (32 нм, 2 ядра, 4 потока или 4 ядра, 4 потока, частота процессора 2.3 – 3.3 Ггц, кэш третьего уровня – 6 Мб).

Intel Core i7 имеет шину данных – DMI и следующую модель: Sandy Bridge (32 нм, 4 ядра, 8 потока, частота процессора 2.8 – 3.4 Ггц, кэш третьего уровня – 8 Мб).

Intel Core i7 Extreme Edition имеет следующие модели: Bloomfield (45 нм, 4 ядра, 8 потоков, частота процессора 3.2 – 3.33 Ггц, кэш второго уровня 1 Мб, третьего – 8 Мб), Gulftown (45 нм, 6 ядер, 12 потоков, частота процессора 3.33 – 3.46 Ггц).

Если процессор поддерживает технологию Turbo Boost, то можно разогнать процессор на большую частоту, о чем указывается в его характеристиках.

Если в списке не указана частота системной шины то, как правило, подразумевается использование не шины FSB, а шины DMI. Она имеет частоту в 2 Ггц, за исключением серий Lynnfield и Bloomfield, имеющие шину QPI с частотой 4.8 или 6.4 Ггц (за каждый такт передается 16 бит, то есть, пропускная способность – 19.2 или 25.6 Гб).

Если нужно просмотреть более подробную информацию о процессорах, то следует перейти на страницу https://ru.wikipedia.org/wiki/Категория:Списки_микропроцессоров, на которой находится список разделов, как это показано ниже (или на сайте Intel — https://ark.intel.com/ru/, где можно выбрать русский язык).

Если у Вас находится процессор Intel, то узнать его возможности можно при помощи бесплатной программы со страницы https://www.intel.com/support/ru/processors/sb/cs-031726.htm. Выберем режим Процессор Intel® Diagnostic Tool (32-разрядная версия), нажав его и в появившемся окне щелкнем на надпись Загрузка, справа от надписи «Имя файла: IPDT Installer 32Bit 1.36.0.1-11-8.exe». На компьютер загрузится программа IPDT Installer 32Bit 1.36.0.1-11-8.exe, которую запустим для ее установки. Значок программы появится на рабочем столе, вид ее показан ниже (при установке может потребоваться согласиться с лицензионными условиями, но, если у Вас установлен процессор Intel, то вы уже заплатили за лицензию при покупке компьютера и можете соглашаться с условиями.

После запуска программы, на экране появится ее окно и начнется тестирование процессора, которое займет несколько минут.

После окончания тестирования на экране появится окно, вид которого показан ниже.

Теперь можно просмотреть результаты тестирования, либо выбрав режим File –Open Results File, либо в папе, откуда устанавливалась программа с именем TestResults.txt. Для выхода из программы нажмем на кнопку Close Test или Shutdown System. В файле будет представлен следующий текст:

…

— Reading CPU Manufacturer — (чтение производителя процессора)

Expected —> GenuineIntel (ожидается – неподдельный Intel)

Detected —> GenuineIntel (определен – неподдельный Intel)

Found — Genuine Intel Processor — (найден – неподдельный процессор Intel)

— Temperature Test — (тест на температуру)

Temperature Test Passed!!! (температурный тест пройден)

Temperature = 34 degrees C below maximum. (температура 34 градусов по цельсию ниже максимальной)

— Reading Brand String — (чтение строчки бренда)

Detected Brand String: (определена строчка бренда)

Intel Celeron 560 2.13GHz

Brand String Test Passed!!! (тест строчки бренда пройден)

— Reading CPU Frequency — (чтение частоты процессора)

Expected CPU Frequency is —> 2.13 (ожидается частота процессора – 2.13)

Detected CPU Frequency is —> 2.1275 (определена частота процессора – 2.13)

CPU Frequency Test Passed!!! (тест частоты процессора пройден)

— Reading FSB — (чтение FSB)

Expected FSB : —> 533 (ожидается FSB – 533Мгц)

Detected) FSB : —> 533 (определена FSB – 533Мгц)

…

— Running Floating Point test — (начинается тест на операции с плавающей точкой)

Million Floating Points per Second, MFLOPS —> 158.4 (миллион операций с плавающей точкой, MFLOPS – 158.4)

…

— Reading Cache Size — (чтение размера кэша)

— Detected L1 Data Cache Size —> 1 x 32 (определен кэш первого уровня для данных – 1 х 32)

— Detected L1 Inst Cache Size —> 1 x 32 (определен кэш первого уровня для инструкций – 1 х 32)

— Detected L2 Cache Size —> 1024 (определен размер кэша второго уровня – 1024 килобайт)

— Detected L3 Cache Size —> Not Detected. (определен размер кэша третьего уровня – отсутствует)

Cache Size Test Passed!!! (тест на размер кэша пройден)

— Determining MMX — SSE capabilities — (определение инструкций ММХ – SSE)

— CPU FEATURES DETECTION FOR — (определяется возможность наличия)

— MMX/SSE/SSE2/SSE3/SSSE3/SSE4.1/SSE4.2 —

MMX — Intel MMX Technology Feature Supported —> Yes—> PASS

SSE — Streaming SIMD Extensions Feature Supported —> Yes—> PASS

SSE2 — Streaming SIMD Extensions 2 Feature Supported —> Yes—> PASS

SSE3 — Streaming SIMD Extensions 3 Feature Supported —> Yes—> PASS

SSSE3 — Supplemented SSE 3 Feature Supported —> Yes—> PASS

SSE4.1 — Streaming SIMD Extensions 4.1 Feature Supported —> No —> No Test Required

SSE4.2 — Streaming SIMD Extensions 4.2 Feature Supported —> No —> No Test Required

(как видно из строчек выше процессор может выполнять инструкции следующих наборов: MMX/SSE/SSE2/SSE3/SSSE3 и не поддерживает инструкции SSE4.1/SSE4.2)

Test Cycle Count = 100 (счетчик циклов теста = 100)

— MMX_SSE — capabilities check complete —

Pass — MMX — SSE Testing complete —

— Determining AVX capabilities — (определение AVX инструкций)

— CPU FEATURES DETECTION FOR —

— AES/AVX/PCLMULQDQ —

AES — Advanced Encryption Standard Supported —> No —> No Test Required

AVX — Advanced Vector Extensions Supported —> No —> No Test Required

PCLMULQDQ — Polys Carry-Less Multiply Supported —> No —> No Test Required

(как видно выше, ни один из трех наборов из AVX не поддерживается)

…

— IMC NOT Supported on this Processor — (Chipset Integrated Memory Controller или IMC – чипсет встроенного контроллера памяти не обнаружен)

— Intel(R) 6 Series Chipset or Intel(R) C200 Series Chipset Not Detected — (чипсет 6 серии или С200 не обнаружен)

…

.Intel(R) Integrated Graphics Device not supported on this processor.. (интегрированная видео система не обнаружена в процессоре)

..

Общие замечания. Что нужно иметь в виду, когда смотришь эти характеристики? Чем меньше технологический размер в нм (размер элементов процессора), тем меньшее требуется напряжение и меньше процессор разогревается. Чем больше частота системной шины и кэш второго и третьего уровня, тем быстрее работает компьютер. Чем больше новых технологий в компьютере, тем быстрее работает компьютер (в основном это касается моделей i3, i5, i7). Одной из характеристик работы процессора является тепловыделение, которое может быть от 10 до 165 Вт, чем меньше, тем лучше. Другой характеристикой является максимальная рабочая температура, которая может быть от 54 до 105 градусов по Цельсию.

Центральный процессор может поддерживать Virtualization Technology, при помощи которой на компьютере можно работать одновременно с несколькими операционными системами.

В 90х годах частота процессора постоянно увеличивалась. В 21 веке было обнаружено, что частоту процессора можно увеличивать лишь до определенного размера. Поэтому для того, чтобы ускорить работу процессора стали делать процессоры, которые могли бы параллельно выполнять действия. Сначала появились процессоры с одним ядром, но с возможностью выполнять вычисления в двух потоках, затем двух, трех, четырех и более ядерные процессоры. То есть, производительность стала повышаться в основном за счет количества ядер. Однако, не все программы могут работать одновременно с несколькими ядрами. Такая работа только начинается. Вместе с тем, если на компьютере выполняется несколько программ, то они могут выполняться на разных ядрах. Например, если установлена антивирусная программа, то она будет выполняться в одном ядре, а другая программа, например, текстовый редактор или браузер, в другом ядре. То есть, ускорение все равно будет, хотя может быть и не то, какое ожидалось.

Отметим, что многоядерный процессор, например, 4х ядерный может иметь не 4, а 8 потоков, по 2 на каждое ядро, что ускоряет процессор.

Существует две разновидности операционных систем: 32-битные и 64-битные. Если процессор 64-битный, то он может работать как с 32-битной, так и с 64-битной операционной системой. Однако для 64-битных систем требуется в два раза больше памяти, так как представление данных в два раза больше. Поэтому для нормальной работы нужно иметь не менее 3х гигабайт памяти, иначе преимущества не будут использованы. Поэтому большинство компьютеров используют 32-битную систему.

Компания AMD — основной конкурент компании Intel. Выпускает главным образом дешевые и производительные процессоры. Поскольку Slot 1 запатентован компанией Intel, компания AMD стала выпускать процессоры для разъема Socket 7. Поэтому для более производительной работы компания разработала разъем Super 7 и Slot A и далее начала выпускать свои собственные разъемы. Другие компании, производящие процессоры, стали ориентироваться на разработки компании AMD и использовать тот же набор команд 3DNow! и разъемы для установки процессоров.

Процессоры разных компаний имеют основной показатель – тактовая частота процессора, поэтому примерно сравнимы друг с другом при одной тактовой частоте, имея преимущества в одних возможностях и недостатки в других. При выборе процессора обращают внимание на его тактовую частоту, тактовую частоту системной шины и цену процессора вместе с материнской платой.

Другими компаниями, производящими процессоры, являются Cyrix, IBM, Texas Instruments. Как и компании AMD, они выпускают процессоры для Socket 7. Если у вас имеется процессор не компании Intel, то перед покупкой материнской платы удостоверьтесь, что она поддерживает имеющийся процессор, даже если там установлен нужный разъем. Кроме вышеперечисленных компаний, имеются и другие компании, производящие процессоры, но их доля на рынке процессоров невелика.

Первые процессоры серии 486 (Nx586, Am486) не слишком отличались друг от друга, однако в процессоре с тактовой частотой 133 Мгц (серия Am586) появился более мощный кэш 1-го уровня, встроенный в процессор, кроме того, улучшена конвейерная организация по расшифровке команд, то есть использовались те же принципы, что и в серии Pentium. Поэтому данный процессор стал довольно мощным и дешевым, по своей производительности равен примерно процессору Pentium-66. В 1995-97 годах выпускалась серия Am5к86, которая ознаменовала переход к серии, аналогичной Pentium, и имела тактовые частоты от 75 до 120 Мгц. Серия К5 имела улучшенные характеристики по сравнению с Pentium. У них была увеличена кэш-память для команд до 16 кб (8 у Pentium) и для данных – 80кб (8 у Pentium), имелось динамическое предсказание переходов, число конвейеров достигало четырех, были и другие улучшения. Процессор К5 имел такие же контакты, как и у Pentium (256 контактов), однако должен был обслуживаться материнской платой, о чем можно узнать в руководстве на него, и, кроме того, он был дешевле, чем Pentium.

Следующее поколение процессоров компании AMD имело наименование AMD К6 (с тактовой частотой от 166 до 300 Мгц). По производительности и по возможностям они эквивалентны серии Pentium. Содержат примерно 8,8 млн. транзисторов, кэш-память составляет 32 Кб и является наибольшей среди данного поколения процессоров. Одним из преимуществ является то, что этот процессор вставляется в разъем Socket 7, который используется для процессоров Pentium. Однако, чтобы можно было работать с этими материнскими платами, нужно, чтобы BIOS этих плат поддерживал указанный процессор. Компания AMD регулярно публикует списки продуктов сторонних изготовителей, платы которых поддерживают процессоры данной компании. Автор книги советует при покупке иметь в виду также процессоры этой компании, поскольку по многим параметрам они превосходят устройства других компаний. После появления возможностей с ММХ компания AMD тоже выпустила процессоры, работающими с такими инструкциями.

Потом появились в продаже процессоры компании AMD второго поколения К6-2 с возможностями использования новых инструкций 3DNow!, которые позволяют обрабатывать специальные команды и работают с трехмерными объектами. Тактовые частоты данного типа процессоров — 266, 300, 333, 350, 366, 380, 400, 450, 500 Мгц, содержит 9,3 млн. транзисторов, имеет кэш 64 Кб. Процессор также вставляется в разъем Socket 7, выпускается для работы с системными шинами 66, 95, 100 Мгц. Поколение К6-3 имеет тактовую частоту 400, 450 Мгц, работает с частотой системной шины 100 Мгц, вставляется в разъем Super 7, имеет встроенную кэш-память 64 Кб, на ядре 256 Кб, на материнской плате 512Кб – 2 Мгб, работает с командами ММХ, 3DNow! и поддерживает AGP.

Следующее поколение К7 (Athlon) вышло в 1999 году с большой кэш-памятью 128 Кб в ядре и 512Кб – 8Мгб второго уровня и тактовыми частотами 500, 550, 600 Мгц, до 3,2 Гигагц и более для серии К7 (Duron), К7 (Thunderbird) и К7(Athlon). Duron обеспечивает тактовые частоты от 500 до 1 300 Мгц. Имеются процессоры Athlon XP с тактовыми частотами 1 700, 1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 300, 2 400, 2 500, 2 600, 2 700, 2 800, 3 000, 3 100, 3 200 Мгц с кэш-памятью 256 Кб или 512 Кб. Компания Intel работает с системной шиной GTL, которая имеет тактовую частоту 66, 100, 133 Мгц. Шина EV6, разработанная компанией Digital Equipment, используется компанией AMD для процессоров серии К7 и возможна работа с тактовой частотой свыше 300 Мгц. В настоящее время используются частоты 100, 133, 200, 266, 333 Мгц., применяют Socket A, который внешне похож на Slot 1 или Slot A, но несовместим с ними, изготовлен по 0,18 мкм технологии. Данный процессор поддерживает набор команд 3DNow!, в него добавлены новые инструкции, в том числе SSE и он стал называться Enhanced (расширенный) 3DNow!. Процессоры Duron имеют тактовые частоты 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100 1200 1300 Мгц, до 64 Кб кэш-памяти 2го уровня, произведены по 0,18 мкм технологии. Thunderbird имеет тактовые частоты от 750 Мгц до 1,33 Ггц, кэш-память первого уровня 128 Кб, второго – 64 Кб, ядро питания 1,6-1,7 в, работают с системной шиной 200 Мгц (100Мгцх2), устанавливаются в Slot A или Socket A. Процессоры Athlon имеют тактовые частоты от 600 Мгц до 3,0 Ггц и выше, кэш-память первого уровня 128 Кб, второго – 256 Кб, рассчитаны на частоту системной шины 200, 266 и 333 Мгц.

Затем компания AMD перешла к выпуску нового 64-разрядного процессора Athlon 64 с кэш-памятью первого уровня – 128 Кб, второго – 1 Мгб, имеющая частоты 2 800, 3 000, 3 200, 3 400, 3 500 Ггц. Данный вид процессоров имеет уже другой разъем для установки процессора. Такие устройства значительно превосходят производимые ранее 32-разрядные процессоры. Во-первых, теперь используются более длинные и оптимизированные инструкции, что сказалось на скорости обработки видео-данных, звуковых файлов и т.д. Во-вторых, такие процессоры могут адресовать до 1 Терабайта (1Терабайт равен 1 000 Гигабайт), тогда как 32-разрядные могут для этого использовать только 4 Гбайт памяти. В-третьих, новые процессоры имеют процессорный кэш емкостью 1 Мбайт, значительно более производительную системную шину HyperTransport с частотой до 1 600 Мгц, а в сам процессор встроен контроллер памяти, что весьма повышает общую производительность системы. В-четвертых, они имеют встроенную улучшенную антивирусную систему для защиты от части видов вирусов. Кроме того, данные процессоры могут работать с 64-разрядными программами-приложениями. Несмотря на то, что данных программ пока еще мало, но в будущем они будут все больше и больше распространены.

Данные по серии К7 можно представить в таблице ниже. Кэш третьего уровня отсутствует. Все серии (кроме Athlon, которая поддерживает MMX, 3DNow!), поддерживают инструкции MMX, 3DNow!, SSE. Размер кэша второго уровня (L2) дан в килобайтах.

Следующая серия К8 показана в таблице ниже. Размер кэша второго уровня (L2) дан в мегабайтах. Кэш третьего уровня отсутствует. Все серии обычно поддерживают MMX, 3DNow!, поддерживают инструкции MMX, 3DNow!, SSE, SSE2, SSE4а, AMD64, Cool’n’Quiet, NX-бит.

По идее, следующей должна быть версия К9, но появилась семейство К10. Здесь присутствует кэш третьего уровня. Все серии обычно поддерживают MMX, 3DNow!, поддерживают инструкции MMX, 3DNow!, SSE, SSE2, SSE4а, AMD64, Cool’n’Quiet, NX-бит, но появляется новые наборы – AMD—V и PowerNow!

Если в названии процессора имеются символы Х2, Х3, Х4, то цифры обозначают количество ядер. Так для названия Phenom X3 8600 символы Х3 обозначают наличие трех ядер.

Если нужно просмотреть характеристики конкретного процессора, то следует обратиться на страницу компании AMD по адресу — https://www.amd.com/ru/products/Pages/Products.aspx.

Шина FSB имеет частоты для процессоров Intel в 133, 166, 200, 266, 333, 400 Мгц. Если указана частота выше, например, 800, то это означает, что за один такт передается несколько данных и данный параметр (800 Мб/с = 100 Мгц х 8) должен называться теоретической пропускной способностью, то есть, какое количество данных передается по шине. Хотя в обиходной жизни часто применяется название «частота системной шины».

Частота системной шины для ранних процессоров AMD составляла такие же значения, как и компании Intel, но в современных процессорах (поколение К8 и К10) составляет 800, 1000, 1600, 1800, 2000 Мгц, соответственно теоретическая пропускная способность шины составляет от 6400 до 16 000 Мб/с в зависимости от коэффициента (сколько данных передается за один такт).

Дополнительные замечания. Желательно процессор устанавливать на материнскую плату с соответствующей процессору частотой системной шины. Все современные процессоры совместимы со всеми версиями Windows, а также Unix, OS/2 и др.

Продукция компании AMD пользуется популярностью благодаря низким ценам и высокой производительностью.

Одним из параметров, по которым можно судить о сложности процессоров, является количество транзисторов (в миллионах), которое указано ниже в таблице:

Другой параметр, по которым судят о возможностях процессора, является микрометровая технология CMOS. Раньше процессоры выполнялись по 3,0 технологии, далее 1,5; 0,8; 0,6; 0,35, 0,25, 0,18, 0,09 и т.д. Чем меньше значение, тем меньшего размера транзисторы и, соответственно, большее их число находится на квадратном миллиметре, тем меньшее энергообеспечение требуется для работы устройства, то есть меньше выделяется тепловой энергии. Кроме того, чем меньше размеры элементов процессора и расстояние между ними, тем более сокращается время прохождения сигнала, увеличивается производительность, поэтому ведущие компании переходят на новые технологии. Так, процессоры AMD Athlon XP с тактовыми частотами от 1500 до 2100 Мгц выпускались по 0.18 технологии, а с частотами 2 200 – 2 600 Мгц по 0.13 технологии. Происходит переход на 0.045 мкм технологию.

В последних моделях центральных процессоров реализован механизм защиты от перегрева, который заключается в том, что при повышении температуры выше критической он переходит на пониженную тактовую частоту, при которой потребляется меньше электроэнергии.

Современные персональные компьютеры используют, как правило, определенный алгоритм обработки данных, называемый архитектурой Фон Неймана, когда инструкции и сами данные хранятся в одном месте (памяти), а процесс обработки построен на циклической последовательной обработке данных. Именно последовательность обработки является узким местом такой архитектуры, так как любое данное должно последовательно пройти через процессор, хотя само вычисление может быть однотипным.

Из иных алгоритмов назовем Гарвардскую архитектуру, когда данные и программный код используют разную память.  Однако в этом случае сложно использовать методы программирования, когда нужно поменять код в процессе выполнения программы, нельзя оперативно перераспределять память и т.д. Используется в встраиваемых компьютерах. Другой алгоритм, параллельный, применяется в многопроцессорных системах для ускорения процесса вычисления.

Процессоры персонального компьютера выпускаются в формате CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер со сложным набором инструкций), то есть каждая машинная инструкция выполняется непосредственно процессором. В отличие от данного вида процессоров, существует другой подход: процессоры RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с уменьшенным набором инструкций), которые имеют команды одной длины. Если на вход компьютера попадет команда из расширенного набора, то она выполняется несколькими инструкциями. Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и недостатки. RISC процессоры работают быстрее, но когда встречается команда, которую нужно транслировать, она выполняется медленнее, однако сам процессор устроен проще, чем CISC. Кроме того, RISC процессоры выполняют за один такт несколько команд, а некоторые CISC процессоры требуют несколько тактов.

Поэтому разработчики пошли на выпуск новых процессоров, которые имеют и RISC, и CISC подходы. В будущем будут разработаны процессоры с VLСW обработкой (Very Long Computer Word — очень длинное машинное слово), в которых несколько инструкций помещаются в одну запись и подаются на вход процессора, обрабатывающий несколько команд одновременно, будут реализованы и другие подходы.

Процессор, помимо внутренней работы, имеет внешние каналы (шины), через которые он получает (посылает) данные. В самом процессоре имеется устройство интерфейса шины, которое ответственно за прием/передачу данных, в частности, усиливающее выходной сигнал для того, чтобы сигнал дошел до пункта назначения, при этом усиливая и входные сигналы, чтобы их можно было распознать на другом конце шины. Кроме того, у него имеется много дополнительных функций, таких, как согласование сигнала и пр.

Другие компании, производящие процессоры: Cyrix, IBM, NexGen, Texas Instruments, Centaur Technology.

Производительность

Производительность процессоров, вплоть до Pentium, при­мерно в 1,5-2,0 раза выше при одинаковых тактовых частотах по сравнению с предыдущими моделями компьютеров. Так, 80286 быстрее, чем 8086 примерно в 1,5 раза, 80386 быстрее 80286 примерно 1,5 раз и так далее. Исключением являются процессоры серий Pentium MMX, Pentium II и Pentium Pro между собой, так как их производительность будет зависеть от видов приложений, с которыми работает компьютер.

Для процессоров до сих пор верен закон Гордона Мура (один из основателей компании Intel), гласящий, что мощность процессоров удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости.

Как уже отмечалось, дать точные коэффициенты при сравнении разных процессоров нельзя, поэтому будем говорить о приблизительных параметрах. Трудность сравнения заключается в нескольких проблемах:

— процессоры оптимизированы для решения разных видов задач, то есть одни будут лучше работать при большом количестве арифметических целочисленных операций, другие — с числами с плавающей запятой, третьи — при работе с пересылкой данных;

— производительность компьютера зависит не только от процессора, но и от таких компонентов, как материнская плата, вид памяти и прочее. При хорошем сочетании производительность будет выше, то есть при тестировании компоненты для одного процессора хорошо сочетаются, для других нет.

Для сравнения производительности компьютеров используются разные методики, наиболее известной из которых является более ранний индекс iCOMP 1.0 и iCOMP 2.0, причем второй более полный, так как учитывает переход к работе с 32-разрядными приложениями мультимедиа, трехмерной графики и телекоммуникаций.

Производительность каждой следующей серии примерно в 1,5-2,0 раза выше предыдущей. Приведем некоторые примерные цифры производительности. Если принять быстродействие процессора 286-20 (с частотой 20 Мгц) за единицу, то для 386-33 Мгц оно равно 4 (то есть в 4 раза быстрее), 486-66 — 12, Pentium-66 — 24, Pentium-133 — 47. Отметим, что производительность системы 486DX2-133 примерно эквивалентна Pentium-75… Core i7 быстрее, чем Core i5 примерно на 10-50%, Core i5 – Core i3 примерно на 10-50%, Core i3 – Atom примерно в 3.5 раза в зависимости от модели. Core i7 быстрее, чем Atom примерно в 4 раза, Core 2 Duo – Atom в 2 — 2,5 раза.

Если просмотреть производительность процессоров разных компаний, то AMD Phenom II Х6 примерно соответствует Intel Core i7, AMD Phenom II Х4 — Intel Core i5, AMD Phenom II Х3 — Intel Core i3, AMD Phenom II Х2 — Intel Core 2 Due.

С целью тестирования процессора компаниями AMD, Cyrix и другими используются специальные программы для сравнения с производительностью процессоров Pentium. Основой для тестирования выбраны несколько категорий программ, которые являются базами данных, текстовыми редакторами, электронными таблицами и издательскими системами. В соответствии с этим тестом назначаются и индексы для процессоров вышеуказанных компаний.

Дополнительные сведения о работе центрального процессора

Команды процессора. Центральный процессор выполняет команды, число которых не превышает двух сотен. Основными из них являются простейшие арифметические команды, которые выполняются над данными, находящимися в регистрах. Регистр — это область памяти, расположенная в центральном процессоре и имеющая довольно небольшую емкость: до нескольких байт, в зависимости от типа процессора. Так как центральный процессор выполняет арифметические операции в регистрах, то часто используются команды пересылки данных из оперативной памяти в регистры и обратно. Чтобы сложить два числа, которые находятся в оперативной памяти, необходимо сначала переслать их в регистры, затем выполнить операцию сложения, а потом переслать в оперативную память. Кроме того, может встретиться переполнение при сложении чисел и возникает, когда результат не помещается в выделенный для него регистр, и вызывается программа обработки данной ошибки. То есть для одной операции может возникнуть необходимость выполнения сразу нескольких операций. Так как процессор имеет большую производительность, то эти операции выполняются очень быстро. Когда сообщается, что процессор может работать с частотой 400 мегагерц, то это не означает, что он выполнит 400 миллионов арифметических операций в секунду. Во-первых, для одной операции сложения могут потребоваться дополнительные команды, например, пересылки, и, во-вторых, не все команды выполняются за один такт, некоторые сложные команды могут потребовать для выполнения несколько тактов и, в-третьих, при большом количестве операций ввода-вывода, то есть пересылки данных по системной шине, процессор, послав запрос на данное из оперативной памяти, может простаивать до тех пор, пока шина не освободится.

Для сложения чисел имеется несколько разных видов команд, каждая из которых работает с определенными видами данных в зависимости от их длины и вида (двоичное, десятичное, упакованное и пр.). В результате, хотя команд много, существует достаточно небольшое количество групп команд, которые довольно легко систематизируются.

Кроме указанных, существуют команды переходов для передачи управления команде, которая находится в другом месте программы (памяти). Существуют условные и безусловные переходы, то есть переход при условии, что что-то выполнено, например, счетчик достиг определенного значения, или без всяких условий.

Существуют и другие команды, например, циклический сдвиг разрядов числа, пустой оператор и пр., которые используются довольно редко по сравнению с вышеуказанными командами. Команды для центрального процессора имеют размер от 1 до 11 байт, в среднем 4-5 байт.

Разобраться с командами при программировании довольно просто, основной трудностью является знание параметров системных таблиц и стандартных функций, прерываний, которых довольно много и не все они описаны. Чтобы упростить написание программ, используются языки программирования высокого уровня, в которых один оператор представляет собой довольно большое число машинных команд.

Принцип построения центрального процессора основан на обратной совместимости процессоров. Это означает, что все программы, которые работали на текущем компьютере, будут работать и в следующем поколении процессоров. То есть программы для 8086 будут работать и на современном процессоре Pentium. Однако это означает и то, что недостатки, которые имелись в более ранних центральных процессорах, будут присутствовали и в последующих моделях. Так, основным недостатком является принцип деления оперативной памяти на обычную и расширенную, метод сегмент:сектор, размещение числовых данных, при котором вначале находится младшее значение, потом старшее, и т.д..

Принципиальными отличиями с точки зрения математического обеспечения, связанным с введением новых режимов работы, характеризовались три первые вида процессоров: 8086 (когда он появился), 80286 (введен защищенный режим с адресацией до 16 мегабайт) и 80386 (введен принцип постраничного обмена для виртуальной памяти, увеличена адресация защищенного режима до 4 Гигабайт). Остальные виды процессоров имели повышенную разрядность для обработки данных, увеличенную кэш-память, повышенную производительность и новые наборы команд, которые убыстряют работу мультимедийных программ за счет того, что позволяют одновременно обрабатывать несколько данных (ММХ, 3DNow!). То есть программа, которая работает с Pentium III, будет работать и с 386 процессором, только очень медленно.

Здесь, конечно, можно задать вопрос: каким образом это происходит, ведь программа может использовать какой-либо из существующих дополнительных наборов команд (например, ММХ), а 386 процессор их не поддерживает. Все очень просто. Когда программа начинает выполняться, то она проверяет, может ли производиться работа с дополнительным набором команд на данном виде процессора. Если может, то будет работать один вид подпрограмм, если нет, то другой вид, то есть, если процессор не поддерживает определенный набор команд, то программа это определит и все равно будет работать, но медленнее, чем если бы имелись дополнительные наборы команд.

Центральный процессор может работать в разных режимах. Рассмотрим их подробнее.

В первых моделях процессора х86 использовался реальный режим для работы с оперативной памятью, при котором физический адрес формировался как сумма двух чисел: базовый*16+смещение, где базовый адрес указывал на начало в области памяти, куда загружается программа, а смещение — на смещение относительно начала программы.

В первых компьютерах для адресации памяти использовался один байт, что позволяло производить адресацию в 64 Кб памяти, и поначалу оказалось, что это очень много для персональных компьютеров. Однако этого пространства скоро стало не хватать и возникла необходимость перехода к другой схеме адресации. Вполне понятно, что лучшим решением был бы вариант перехода на адресацию при помощи 16 разрядов (2-х байт). Это позволило бы адресовать 2 ¹⁶ = 4 гигабайт оперативной памяти, что было бы вполне достаточно и для современных компьютеров. Однако, чтобы перевести программы, работавшие в среде СР/М, был реализован другой подход, который вычисляет адрес по формуле сегмент*16+смещение.

Таким образом, загрузив программу по произвольному адресу и переслав этот адрес в базовый регистр, программа сможет выполняться в любом месте оперативной памяти, то есть базовый указывает на начало программы, а смещение — на смещение относительно начала программы или относительно базового адреса, что одно и то же. При этом пара чисел база:сегмент называется логическим адресом.

Поясним смысл этого более подробно. Область оперативной памяти может быть разбита на сегменты по 64 Кбайт каждый. Так как для адреса использовалось 2 байта (16 бит), то можно адресовать до 64 Кбайт памяти (2¹⁶ = 64 Кбайт). Для адресации более 64 Кбайт используется два адреса по два байта. При этом первый называется базовым, а второй — смещением. Базовый адрес может принимать максимальное значение 16*2¹⁶ = 1 Мегабайт, а сам адрес вычисляется по формуле: базовый адрес*16 + смещение. Таким образом, можно адресовать 1 Мбайт памяти, то есть в реальном режиме можно работать только с одним мегабайтом памяти. Это ограничение остается справедливым для реального режима и для современных компьютеров. Начало области является базовым адресом, местоположение данных в сегменте определяется смещением относительно начала сегмента. Это сегментированный адрес.

Начиная с серии 286 компьютеров, процессор может перейти в защищенный режим памяти. В этом режиме используется адресация виртуальной памяти. При этом, когда задан адрес в программе, то для вычисления физического адреса в памяти используются специальные таблицы (таблицы дескрипторов), которые содержат строки с указанием начала, длины области данных, права доступа. Каждая строка соответствует одной области, которая может достигать от 1 байта до 4 гигабайт. При помощи этих таблиц вычисляется физический адрес, после чего по нему происходит обращение к данным. Все эти вычисления производятся внутри центрального процессора по заложенным разработчиком алгоритмам, программист же часто даже не знает, как это реализовано. Для него важно указать адрес данного и получить возможность работать с данными. Адрес указывается при помощи двух чисел – селектор:смещение, которое называется линейным адресом, причем смещение указывает на смещение относительно начала области, указанной селектором.

Защищенный режим 386 процессора имеет те же принципы функционирования, что и в 286, но несколько другие значения в таблице дескрипторов и другой размер чисел в таблице. Кроме этого, введен виртуальный режим, в котором могут работать несколько программ одновременно, причем каждая программа как бы работает в реальном режиме и написана для реального режима работы.

Преимуществом этого метода является возможность организации параллельной работы нескольких задач, каждая из которых действует в своей области памяти и при обращении программы к данным другой задачи процессор это отслеживает. В записи селектор:смещение, смещение может иметь 32 разряда. Если программа использует 32-разрядный формат, то принято говорить о 32-разрядном приложении, если 16 разрядов — то это 16-разрядное приложение.

При работе с несколькими программами в защищенном режиме имеется средство переключения задач, при котором состояние каждой задачи (то есть значение всех регистров) сохраняется в специальном сегменте состояния задач (TSS), на который указывает селектор в регистре задач. Для переключения задач нужно изменить селектор в регистре задач, и автоматически значения регистров старой задачи сохраняются, а новой — восстановятся.

Кроме того, в 386 процессорах реализован механизм страничной памяти. Причина, по которой она введена, заключается в том, что программа может использовать только один мегабайт памяти. Для использования памяти сверх первого мегабайта как раз и предназначен этот режим, при котором в верхней части первого мегабайта устанавливается буфер, в который копируются данные из области свыше первого мегабайта. При данном методе используется 32-разрядная адресация, состоящая из трех частей. Первые 10 бит используются в каталоге таблицы для выбора номера таблицы страниц, далее 10 бит указывают на номер в таблице страниц и 12 бит — на смещение относительно найденной страницы. Все эти методы организованы на аппаратном уровне и программе не обязательно знать, как организованы таблицы и где они находятся, надлежит указывать только линейный адрес.

Зачем нужен защищенный режим? В первых моделях персональных компьютеров использовалась одна задача, которая имела монопольный доступ к разным устройствам. Этот режим называется однопрограммным. Со временем возникла необходимость запускать две разные задачи, которые работали бы в компьютере независимо друг от друга. Такой режим называют многопользовательским и был реализован ранее на больших машинах, например, IBM 360 и в советских ЕС. Как раз для организации такого режима на персональных компьютерах и был создан защищенный режим процессора, который характеризуется тем, что в памяти машины используются четыре уровня защиты, нулевой для операционной системы, третий — для прикладных задач. Задачи нулевого уровня имеют возможность вторгаться в области данных всей машины, третьего уровня — для использования только тех данных, которые определяются правами доступа, назначенными задачей. Второй и третий уровни пока не используются. Работая с виртуальным адресом, процессор выполняет большое количество дополнительных операций.

Процессор при этом следит за тем, чтобы программа не считывала данные другого приложения. При такой попытке обращения возникает исключение, которое начинает обрабатываться специальной программой операционной системы. Если ошибка исправима, то программа продолжает работать, если нет, то возникает состояние общей ошибки защиты, после чего приложение прекращает свою работу и на экране появляется сообщение об этом. В этом случае лучше всего перезагрузить компьютер и снова продолжить выполнение работы. Если бы не было защищенного режима, то программы могли бы использовать монопольно ресурсы всей системы и мешали бы друг другу при их выполнении, вследствии чего возникали  постоянные сбои в работе.

Для сокращения времени на выполнение этих операций в процессоре имеются специальный дескриптор и кэш-память, которая позволяет выполнить эти преобразования. Зачастую даже программисту этот механизм неизвестен. Эти принципы были реализованы в системе Windows, поэтому можно одновременно набирать текст, слушать музыку, принимать данные через модем и так далее. Кроме того, в системе Windows используется и виртуальная память.

Виртуальная память – особое состояние защищенного режима (V86), позволяющая любой задаче использовать до 64 Гбайт, то есть использовать 16 сегментов по 4 Гбайт, в которых имеется специальный бит, указывающий на отсутствие или присутствие данного сегмента в оперативной памяти. Если сегмента не имеется в памяти, то он восстанавливается из внешней памяти (как правило, из жесткого диска), а долгое время не используемые данные загружаются во внешнюю память. Это организовано аппаратными средствами. Функционирование в режиме V86 возможно с параллельным выполнением других задач в защищенном режиме.

Адрес. При работе с оперативной памятью центральный процессор взаимодествует с несколькими видами адресов: физическим, логическим и линейным. Физический адрес представляет собой адрес, по которому можно получить данные, например, из оперативной памяти. В программах физический адрес напрямую не используется в силу того, что программа может быть загружена по произвольному адресу, и, если указать в ней однозначно физические адреса, то программа не смогла бы работать или работала бы лишь тогда, когда ее загружали бы в заданную область памяти.

Физический адрес может иметь разный вид в зависимости от устройства, куда он направлен, например, адрес для оперативной памяти в виде одного числа либо в виде набора чисел, например, для жесткого диска, который определяется номером сектора, дорожки и цилиндра. Однако на практике программист не знает, где находится конкретно файл на диске или данные в оперативной памяти, поэтому он использует логический адрес, который операционная система преобразует в физический и обеспечивает доступ к данным.

Логический адрес может быть различных видов. Основным из них является сегментированный адрес, который также может быть различным в зависимости от вида режима работы центрального процессора. Об этом рассказывалось выше.

Линейный адрес представляет собой логический адрес, то есть адрес, который в дальнейшем будет преобразован в физический адрес. Он состоит из нескольких чисел для оперативной памяти из селектора и смещения, для жестких дисков в методе LBA – из сектора, дорожки и цилиндра, которые преобразуются в физический.

Данные, получаемые процессором, можно разделить на две части: это непосредственно данные, которые помещаются в регистры процессора, и инструкции. Инструкции попадают к обработчику инструкций, который по первому байту определяет, сколько байт занимает команда, вся ли команда получена из памяти. Если команда получена не вся, то оставшаяся часть команды должна быть считана из оперативной памяти. Далее необходимо проверить, с какими данными работает команда. Если они находятся в оперативной памяти, то их нужно оттуда переслать, а когда команда готова к выполнению, то выполнить данную машинную команду. При этом выбираются микрокоды, соответствующие команде, из внутреннего хранилища в центральный процессор, которые затем выполняются.

Что такое микрокод? Команда, которую написал программист, например, сложение двух чисел, состоит из небольшой программы, которая записана внутри процессора. При сложении двоичных чисел нужно вначале сложить самые правые биты, затем следующие и т.д. Как это делается, описано в микрокодах, о которых программист может даже не подозревать. Как они организованы, программисту не обязательно знать, так как он знает результат этой команды. Главное, что в заданной команде получится сумма двух двоичных чисел, а что до микрокодов, то о них часто и не вспоминают.

Как уже отмечалось, данные попадают в регистры. Регистр — это область памяти в процессоре, которыми может воспользоваться программист. В процессоре имеется несколько регистров, которые отличаются своими функциональными возможностями.

Регистры, которые хранят данные, полученные из оперативной памяти, имеют названия AX, BX, CX, DX (где Х — от слова eXtended — расширенный). Они разделены на две части: например, для АХ левая часть — AH и правая — AL, для BX — BH и BL и так далее. Размер регистра зависит от типа процессора. Первые модели имели 16 разрядов, а последние — 64. Регистры интересны тем, что определяют возможности центрального процессора. Чем больше они по размеру, тем больше данных можно обработать, но для этого должна быть соответствующее программное обеспечение. В первых моделях было 14 регистров. В современных компьютерах больше регистров, чем в первых моделях, часть из них видна для программиста, то есть он может ими воспользоваться, часть скрыта от программы, но используется модулями центрального процессора, и это отдельная тема. Современные процессоры программно переопределяют имя регистра, что повышает производительность центрального процессора. Переименование регистров используется для записи промежуточных результатов, что позволяет исполнять несколько инструкций одновременно.

Кроме регистров, в процессоре существует регистр флагов. В нем находится информация о состоянии процессора (отвечать ли на внешние прерывания, порядок обработки данных и пр.), адрес следующей команды, результат сравнения, переполнения при сложении и пр., что полностью описывает состояние задачи в текущий момент времени. Более подробное описание можно просмотреть в литературе, где описывается язык Ассемблер.

Основной элемент процессора — Арифметико-логическое устройство – ALU работает с целыми числами и может выполнять арифметические операции, такие, как сложение, вычитание, умножение и так далее. Кроме этого, он может производить ряд дополнительных операций, например, логический сдвиг, когда значения сдвигаются на один разряд влево или вправо, сравнение чисел и другие операции.

Первые процессоры (286) имели только арифметико-логическое устройство, и для работы с дробными числами требовался специальный микропроцессор с плавающей запятой FPU. Он был специализирован только для работы с данными числами и назывался сопроцессор, имел специальный разъем на материнской плате, куда и вставлялся. Если данного устройства не было, то операции выполнял обычный процессор, для чего вместо одной команды выполнялось несколько и время работы компьютера существенно увеличивалось. Потом стали выпускаться процессоры, которые содержали в себе две части: работающие с целыми и с плавающими (дробными) числами. Начиная с процессоров 486 поколения, сопроцессоры стали встраивать в основной процессор, хотя существовали первые модели и без них. Начиная с моделей Pentium, все процессоры укомплектованы сопроцессором с плавающей точкой. Отметим, что блок FPU работает с командами ММХ, то есть данные помещаются в регистры сопроцессора с плавающей точкой и над ними выполняются инструкции ММХ. В силу этого разделения можно одновременно выполнять операции в ALU и FPU, то есть работать с целыми и дробными числами.

Исторически сложилось, что в оперативной памяти адрес хранится в двойном слове, как и данные, в обратном порядке, то есть в начале находятся смещение, затем сегмент, что является характерной особенностью процессоров Intel. Поэтому при просмотре содержимого оперативной памяти этот факт нужно иметь в виду.

Кэш-память. Начиная с 486 процессоров, стала использоваться кэш-память, которая играет роль промежуточного хранилища данных. В силу того, что данные между процессором и кэш-памятью перемещаются быстрее, чем между процессором и оперативной памятью, то при необходимости записать в оперативную память данные временно записываются в кэш-память, а затем будут переданы в оперативную память, когда освободится системная шина. При чтении данных процессор сначала проверяет, есть ли данные в кэш-памяти, и, если есть, то считываются из нее, а если нет, то происходит обращение к оперативной памяти и таким образом, за счет снижения простоя процессора увеличивается производительность компьютера. Вся работа с кэш-памятью производится аппаратными средствами процессора, программист, написавший программу, зачастую не знает, как это происходит, поэтому те программы, которые были написаны до введения кэш-памяти в компьютер, также будут использовать эту память, что увеличивает их производительность.

Вентиляция

Процессор состоит из миллионов транзисторов, которые работают с большой интенсивностью и соответственно выделяют много тепла. Поэтому вместе с процессором обычно устанавливается и вентилятор на нем. Если вентилятора нет или он сломается, то процессор может перегреться и оплавиться. Кстати, именно вентилятор издает характерный звук при включении компьютера (жесткий диск работает обычно тише, а остальные устройства обычно не издают шума). Более старые процессоры не требовали большого оттока тепла и часто использовались теплорадиаторы, которые находились над процессором, состояли из алюминия с ребристыми поверхностями, между которыми циркулирует воздух.

Чем больше тепловой радиатор по размерам, тем лучше он отводит тепло и при неисправном вентиляторе увеличивает срок работы процессора. Время от времени, несколько раз в год желательно проверить, что все вентиляторы в системном блоке работают нормально. Вентилятор лучше иметь такой, который можно снять с процессора, а не жестко прикрепленный к нему.

Вентилятор, устанавливаемый на процессор на заводе, называется In Box. После установки центрального процессора нужно подключить вентилятор, а сам процессор нужно протестировать, например, в течении получаса – часа вывести изображение видео на экран. Некоторые процессоры, которые продаются без вентиляторов и радиаторов, требуют установки вентилятора, например, для Celeron.

Между процессором и разъемом может находиться специальное устройство, называемое переходной колодкой (interposer), которая может служить как вторичный согласователь питания (voltage-regulator daughter board — дочерняя плата для согласования напряжения), например, для того, чтобы установить процессор, который работает с напряжением питания 3,3 вольт в разъем с 5 вольтами.

Установка

Как определить процессор на материнской плате? Процессор имеет квадратную форму, на нем имеется, как правило, имя компании-изготовителя (Intel, Advanced Micro Device (AMD), Cyrix и другие), может иметься наименование типа и частоты (например, AMD-X5-133). Современные типы процессоров имеют над корпусом теплорадиатор, на котором имеется вентилятор, по которым можно легко определить месторасположение процессора.

Сам процессор выходит из строя довольно редко, гораздо чаще его заменяют для увеличения производительности. При этом, естественно, должно быть соответствие процессора материнской плате по частоте и виду разъема. Перед тем, как приобретать новый процессор, нужно ознакомиться с инструкцией на плату, чтобы узнать, какие процессоры она поддерживает.

Существует несколько разъемов типа сокетов и слотов (замечание. Если указано, что сокет имеет 273 вывода в виде матрицы 21х21, то нужно иметь в виду, что в центральной части матрицы не имеется выводов, так как там расположен сам процессор, поэтому выводов (273) будет меньше ячеек в матрице (21х21=441)).

Socket 1 содержит 168-169 выводов, расположенных в виде матрицы 17 х 17, частота FSB 16-33 Мгц, конструктивно выполнен в виде ZIF или LIF, поддерживает питание 5 вольт и служит для 486 процессоров;

Socket 2 содержит 238 выводов, расположенных в виде матрицы 19 х 19, частоты системной шины 25-50, конструктивно выполнен в виде ZIF или LIF, поддерживает питание 5 вольт и служит для 486 процессоров, AMD 5х86 (133 Мгц);

Socket 3 модифицированный Socet 2 с дополнительными возможностями, поддерживает те же процессоры;

Socket 4 содержит 273 вывода в виде матрицы 21 х 21, поддерживает питание 5 вольт и служит для процессоров типа Pentium 60-66;

Socket 5 содержит 320 выводов, поддерживает питание 3,3 вольт и служит для процессоров типа Pentium 75-133 и AMD K5. Контакты на разъеме выполнены впервые в шахматном порядке (что позволило уменьшить размеры контактной части), поэтому нельзя указать, что они расположены в виде матрицы;

Socket 6 содержит 235 выводов, поддерживает питание 3,3 вольт и служит для 486DX4 процессоров;

Socket 7 содержит 321 вывод, поддерживает питание 2,5-3,5 вольт и служит для процессоров типа Pentium 75-333, Pentium Pro и AMD K6. Модифицированный сокет 7 имеет два питания 2,9 и 3,2 для Pentium ММХ;

Сокет 8 содержит 387 выводов, конструктивно выполнен в виде ZIF или LIF, поддерживает питание 2,9-3,3 вольт и служит для процессоров типа Pentium Pro;

Ниже указаны разъемы только для Intel.

Slot 1 служит для процессоров Celeron, Pentium II, ранние Pentium III. Отличается от других процессоров тем, что устанавливался в специальном картридже, на котором размещалась кэш память второго уровня. Картридж вставлялся на материнскую плату в специальный разъем с 242 контактами.

Slot 2 служит для процессоров Pentium II Xeon, Pentium III Xeon.

Socket 370 пришел на смену Slot 1 и служит для Celeron, Pentium II, Pentium III.

Socket 423 самый короткоживущий разъем, был скоро заменен на Socket 478 (так как не поддерживал процессоры с тактовой частотой выше 2 Ггц), использовался для ранних Pentium 4 (Willamette), частота системной шины – 100 Мгц.

Socket 478 использовался для Pentium 4, Celeron, Celeron D, Pentium 4 Extreme Edition.

Socket 479 использовался для Pentium М, Celeron М.

Soket Т (или LGA 775) имеет подпружиненные мягкие контакты, прикрепляется при помощи рычажка. Используется для Pentium 4 (2.66-3.8 Ггц), Celeron D, Pentiun Extreme Edition(3.2-3.73 Ггц), Dual—Core (1,4-2.8 Ггц), Core 2 Duo, Core 2 Extrem, Core 2 Quand, Xeon (1.86-3.0 Ггц), Core Celeron (1.6-2.0 Ггц), которые не имеют в своем составе контроллера памяти. Частота шины 533, 800, 1066, 1333, 1600 Мгц.

Soket В (или LGA 1366) имеет подпружиненные мягкие контакты, прикрепляется при помощи рычажка. Используется для Core i7, Xeon, Intel Celeron P1053.

Soket BGA437 содержит в себе интегрированный процессор Atom.

Soket LGA771 и S604 используется для серии Xeon.

Soket H (или LGA 1156) имеет подпружиненные мягкие контакты, прикрепляется при помощи рычажка. Используется для Core i7 (8xx), Core i5 (7xx, 6xx),Core i3 (5xx), Pentium (G69x0), Xeon (L34xx, X34xx), Intel Celeron (G1ххх, G6xxx).

Soket H2 (или LGA 1155) имеет подпружиненные мягкие контакты, прикрепляется при помощи рычажка. Используется для Sandy Bridge с двумя каналами памяти DDR3 (второе поколение Core i7, Core i5, Core i3 с четырехзначными символами). Шина – DMI.

Soket B2 (или LGA 1356) имеет подпружиненные мягкие контакты, прикрепляется при помощи рычажка. Используется для Sandy Bridge с тремя каналами памяти DDR3 (второе поколение Core i7 (9xx), Core i5, Core i3, Xeon (35xx, 36xx, 55xx, 56xx)). Шина – DMI, QPI.

Для мобильных систем (ноутбуков) используются: Soket 495, Soket 479, Soket M, Soket P и Soket 441.

Для серверов используются Soket 8, Slot 2, PAC4188, Soket 603, Soket 604, PAC611, Soket J, Soket B, Soket H, Soket TW, Soket LS.

Для процессоров компании AMD имеются следующие разъемы.

Super Socket 7 – модифицированный Soket 7 (из-за лицензионных соглашений) с частотой системной шины 95б 97б 100 Мгц, используется для процессоров AMD K6-2 (300-550 Мгц), K6-III,K6-2+, K6-III+.

Slot A используется для процессоров AMD Athlon, поддерживаемая шина – EV6 (частота шины 100, 133 Мгц), пропускная способность – 1600, 2133 Мб/c. Совместим с Slot1, что позволило использовать для одной материнской платы как процессоры AMD, так и Intel.

Soket А (Soket 462) используется для процессоров Duron, Athlon XP, Semtron, Athlon Thuderbild Geode. Частота системной шины (FSB) – 100, 133, 166, 200 Мгц.

Soket 754 используется для ранних процессоров Athlon 64, некоторых ранних Sempron и является промежуточным звеном к следующему разъему.

Soket 939 используется для процессоров Athlon 64 XP, некоторых Opteron и Sempron. Частота системной шины (FSB) – 200 Мгц.

Soket 940 используется для процессоров Athlon 64FX, OpteronXP. Частота системной шины (FSB) – 200 Мгц.

Soket АМ2 используется для процессоров: некоторых Athlon 64, некоторых Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, некоторых Opteron, Sempron и первых Phenom.

Soket F и F+ (Soket 1207) используется для серверных процессоров Opteron 2xxx, 8xxx, Athlon 64 FX 7x. Шина – Hyper Transport.

Soket АМ2+ используется для процессоров: некоторых Athlon X2, Athlon II, Opteron 13xx, Phenom, Phenom II. Шина – Hyper Transport 2.0.

Soket АМ3 используется для процессоров: некоторых Athlon II, Opteron 138x, Semtron 140, Phenom II. Шина – Hyper Transport 3.0 (частота 1600, 1800, 2000 Мгц, пропускная способность 12800, 14400, 16000 Мб/с).

Soket АМ3+ модифицированный разъем АМ3, используется для процессоров: некоторых Athlon II, Opteron 138x, Semtron 140, Phenom II. Шина – Hyper Transport 3.0 (частота 1600, 1800, 2000 Мгц, пропускная способность 12800, 14400, 16000 Мб/с).

Soket FM1 используется для процессоров с архитектурой AMD Fusion. Шина – Hyper Transport 3.0 (частота 1600, 1800, 2000 Мгц, пропускная способность 12800, 14400, 16000 Мб/с).

Для мобильных систем (ноутбуков) используются: Soket А (Soket 462), Soket 754, Soket 563, Soket S1, Soket FS1, Soket FP1 и Soket FT1.

Для серверов используются Soket А (Soket 462), Soket 940, Soket F (Soket 1207), Soket F+, Soket G34 и Soket С32.

В старых компьютерах использовался разъем для установки процессора (для некоторых 486) типа LIF (Low Insertion Force – небольшое усилие вставки), которые для вставки требуют усилие. При этом желательно для установки вынуть материнскую плату из системного блока. В настоящее время применяются разъемы типа ZIF (Zero Insertion Force — нулевое усилие вставки), где имеется небольшой рычажок, с помощью которого происходит фиксация корпуса процессора. После вставки рычажок следует опустить. При этом, если рычажок пластмассовый, нужно действовать осторожно, чтобы его не сломать.

Если в документации на плату указан список совместимых процессоров, то это не означает стопроцентную гарантию того, что процессор будет работать, и наоборот, если процессора в списке нет, на самом деле он может работать с данной платой. Это происходит не часто, но бывает. Поэтому перед покупкой желательно проверить совместную работу платы и процессора, либо оговорить возможность возврата платы продавцу.

Поскольку стандартный блок питания обеспечивает напряжение 5 вольт, а процессор потребляет другое напряжение, на платах устанавливаются микросхемы стабилизации напряжения, которые монтируются на теплоотводах. Чтобы выставить нужное напряжение, обычно применяются перемычки на материнской плате, поэтому перед монтажем процессора проверьте сделанные установки. Не забудьте также про вентилятор, который охлаждает процессор. Некоторые виды процессоров используют теплоотводы, но чем мощнее процессор, тем больше на нем находится элементов и тем больше тепла они выделяют при работе. В этом случае применяется вместе с радиатором и вентилятор. Однако, если процессор выпущен по более современной технологии СМОS, то в силу уменьшения размеров элементов на плате требуется меньше отводить тепла, однако мощность все увеличивается и снова необходим более мощный вентилятор.

Вентилятор чаще ломается, чем процессор, а при его поломке может испортиться и сам процессор, то есть перегреется, станет работать нестабильно и в конце концов выйдет из строя. Поэтому вентиляторы часто снабжаются специальными датчиками, которые позволяют отключить процессор в случае поломки. Принцип работы вентилятора описан в пункте о блоке питания, где также находится свой вентилятор.

При выборе процессора необходимо, чтобы он соответствовал типу материнской платы, которая установлена в системном блоке, по следующим параметрам: частоте процессора, компании-изготовителю, виду гнезда, куда вставляется процессор, наличию дополнительного питания.

Кроме того, при выходе нового вида процессора в продажу из-за проблем с надежностью лучше не сразу покупать его, тем более что цены на них довольно быстро падают.

Установка процессора. Для этого:

— прежде всего нужно снять вентилятор и старый процессор. Вынимать процессор нужно после того, как он остынет, иначе можно обжечься. Перед тем как вынуть современный процессор, нужно разомкнуть замок крепления. Их может быть два по обе стороны картриджа. Кроме того, может быть замок и на радиаторе. Поднимите картридж с центральным процессором строго вертикально, не раскачивая его из стороны в сторону. При установке новый процессор вставляется также вертикально.

Если используется гнездо типа ZIF (Zero Insertion Force — вставка с нулевым усилием), то в нем имеется рычажок, который нужно освободить, если LIF (Low Insertion Force — вставка с небольшим усилием), то для снятия процессора требуется иметь специальный инструмент, который обычно продается вместе с новым процессором (рисунок ниже).

Далее необходимо снять материнскую плату, как это было описано ранее, и вынуть процессор. Старый процессор желательно класть на антистатический коврик (лучше контактами вверх). Не забывайте при этом об электричестве на руках;

— вынуть новый процессор из упаковки и установить процессор в гнезда таким образом, чтобы совпали первые штыри на процессоре и в гнезде. При установке в гнездо LIF материнскую плату поместите на антистатический коврик или какую-либо другую изолирующую поверхность и вставьте процессор, применив некоторое усилие, для чего и нужно было вынуть материнскую плату. Для гнезда ZIF после установки опустите рычаг, не применяя особой силы.

Для установки старых видов процессоров нужно найти маркированный угол в гнезде и на процессоре, который может быть отмечен точкой (белая или черная), черточкой к контакту 1, скошенным углом, который может быть не только во внутренней рамке гнезда, но и на внешней (смотри рисунок ниже – гнездо сопроцессора) или отсутствием отверстия в углу. При установке просмотрите, чтобы ножки микросхемы были не погнуты, совместите маркированные углы и вставьте процессор таким образом, чтобы сбоку не были видны ножки контактов;

— в старых платах установите перемычки, если это необходимо, затем установите материнскую плату, если она была снята;

— установите вентилятор и подключите его штекер электропитания. Проверьте, чтобы его тип соответствовал процессору, так как некоторые процессоры требуют более сильных вентиляторов. Если используется разветвитель питания, то можно подключить один разъем к накопителю на гибких дисках, другой к вентилятору, при этом не подключайте второй парный разъем к накопителю для жестких дисков.

Сопроцессор

Сопроцессор также называется NPU (Numeric Processing Unit — числовое процессорное устройство) или FPU (Floating Point Processing Unit — процессорное устройство с плавающей точкой) и используется отдельно в 8086, 286, 386 и в некоторых 486 моделях. В их названии имеется последняя цифра 7. Для моделей 80286 это будет 80287, для 386 будет 80387. При установке требуется соответствие по частоте сопроцессора и центрального процессора. В более поздних типах (486DX4 и серия Pentium) сопроцессор встроен в основной процессор.

Ниже на рисунке показан разъем для сопроцессора.

Отметим, что во многих приложениях происходит работа с целыми числами и сопроцессор не требуется. Однако имеется ряд приложений (например, программы анимации, игры и прочие, где требуется пересчет одних координат в другие), которые выполняют операции с дробными числами. Если при этом сопроцессор отсутствует, то обычный процессор выполняет специальную процедуру для умножения, деления и других операций. В этом случае время выполнения операций резко увеличивается.

В некоторых программах (например, ДОС) встречается наименование сопроцессора Weitek. Данный сопроцессор работает с процессорами серии 386 и 486 быстрее и точнее, чем многие другие сопроцессоры, и требует особое матобеспечение. Кроме того, нужно указать его наличие в программе BIOS, иначе система его не узнает и не будет с ним работать.

Процессоры семейства Pentium (Pentium, Pentium ММХ, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV) имеют встроенный сопроцессор, который располагается вместе с основным процессором и не требует специального матобеспечения. Часто пользователь не догадывается, что в компьютере работает не только процессор, но и сопроцессор.

Процесс установки сопроцессора аналогичен установке процессора.

Овердрайв

Для того, чтобы увеличить мощность процессора, применяются процессоры типа овердрайв (в современных компьютерах овердрайв не применяется). Су­ществует два типа таких процессоров. Первый тип предназначен для увеличения тактовой частоты процессора. Второй тип предназначен для увеличения мощности за счет выполнения новых ин­струкций. Примером может служить овердрайв для ММХ. Если имеется процессор типа Pentium, то, используя овердрайв ММХ, можно сделать его ММХ. В силу того, что цены на процессоры постоянно падают, а стоимость овердрайва достаточ­но высокая, широкого применения они не получили, так как часто дешевле реализовать старый процессор и, доплатив, получить более мощный.

Вставляется овердрайв так же, как и сопроцессор, он должен иметь специальное гнездо на плате, либо вставляется над старым процессором, если он был установлен так, как это показано на рисунке ниже.

Овердрайв может содержать на корпусе символ R (Replacement — замена). Не забудьте установить вентилятор, он может потребоваться более мощный, чем имелся.

Разгон процессора

Некоторые пользователи пытаются повысить производительность процессора путем увеличения тактовой частоты системной шины, тактовой частоты процессора или повышением обоих частот. При этом можно разогнать, то есть повысить производительность процессора на 10-20 процентов, в зависимости от того, какой процессор имеется. Для того, чтобы компьютер стабильно работал, нужно изменить соответствующие параметры BIOS, относящиеся к указанным выше частотам, и параметры, отвечающие за согласование с работой оперативной памяти. Однако общая производительность компьютера возрастет ненамного, за исключением, возможно, графической подсистемы, которая может увеличить производительность за счет увеличения частоты системной шины. Кроме того, улучшается работа плат расширения. Кэш-память будет работать более стабильно.

При этом процессор начинает выделять большее количество тепла и в конечном итоге существует опасность, что он сам либо разъем, где он находится, оплавится или через некоторое время компьютер перестанет стабильно работать. Ведь производители указывают оптимальный режим работы для процессора, и повышать его самостоятельно довольно опасно. Некоторые производители выпускают свои процессоры и при тесте указывают, стабильно ли они работают при определенных частотах. Если нестабильно, то они продаются с пониженной частотой работы. Для самой материнской платы, если используется документированное повышение частоты, это безопасно, пострадать может сам процессор, который перегревается.

Некоторые недобросовестные продавцы спиливают слой на процессоре с маркировкой и продают такой процессор по повышенной цене. Поэтому лучше не покупать процессор у непроверенных продавцов. При этом следует обратить внимание на следующие признаки: процессор работает нестабильно при указанных частотах или начинает работать нестабильно при продолжительной работе, когда он нагревается, маркировка не выгравирована, шрифт маркировки неровный. Поэтому после покупки желательно сразу же протестировать процессор, проверяя его в течение довольно долгого времени.

Конечно, некоторым пользователям интересно повозиться и настроить процессор на повышенную частоту, но лучше для повышения производительности реализовать старый процессор и приобрести новый. При этом такая доплата, если не менять материнскую плату, может оказаться незначительной. Процессоры в течение года постоянно падают в цене, как правило, в конце лета, осенью и весной, и со временем, какой мощный ни был бы у вас процессор, разница в цене между вашим и процессором на 20-30% мощнее будет невелика.