Процессор

На материнской плате есть большая микросхема - центральный процессор (CPU или ЦП). Это мозг компьютера. Процессор выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в памяти компьютера. Обработка выполняется под управлением программы, которая хранится в памяти компьютера. Персональные компьютеры оснащаются центральными процессорами разной мощности (производительности). В зависимости от решаемой вами задачи может потребоваться тот или иной процессор.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и первую очередь с оперативной памятью процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium адресная шина 32- разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой – то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32 – разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64 – разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть такие, для которых нужно два, три и более байтов. В современных процессорах шина команд 32 – разрядная, хотя существуют 64 – разрядные и даже 128 – разрядные.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемые.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой 360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.

Система команд процессоров Intel Pentium насчитывают более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд – CISC – процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC – процессорам в середине 80 – х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC – Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

Процессоры компании INTEL. Микропроцессоры 8086/8088 (1978-1979) содержит в себе 29000 транзисторов и является первым 16-разрядным микропроцессором и соответственно разрядность внешней шины данных составляла 16-бит. Микропроцессор 8086 выпускался в четырех версиях: с рабочими тактовыми частотами в 5, 6, 8, и 10 МГц. Этот процессор мог выполнять 0, 33, 0.66 и 0, 75 MIPS (т.е. миллион операций в секунду).

Шестнадцатиразрядный микропроцессор 80186 из серии х86 (1980) был оснащен внутренним тактовым генератором, системным контроллером, контроллеров прерываний, контроллером прямого доступа к памяти и программируемым драйвером. Тактовые частоты равнялись в 8, 10, 12.5 МГц.

Микропроцессор 80286 (1982) (впервые устанавливался в ПК IBM PC/AT) содержит в себе 134000 транзисторов, имеет 24 регистра. Этот процессор мог выполнять 1.2 MIPS, 1.5 MIPS, 2.66 MIPS с тактовой частотой 8, 10 и 12.5 МГц.

Микропроцессор 80386 (1985-1990) содержит в себе 275000 транзисторов и имеет 32 регистра. Тактовые частоты этого процессора равнялись 16, 20, 25 и 33МГц и мог выполнять до 11.4 MIPS. В 1990 году данная компания выпускала микропроцессор семейства 386, который потреблял меньше энергии и содержал 885000 транзисторов.

Микропроцессор 80486 (1989-1994) содержал в себе 1.2 млн. транзисторов и имел 29 регистров. Процессор 486DX содержит 32 адресные линии для адресации до 4Гбайт физического ОЗУ и до 64 Тбайт виртуальной памяти. Имеет кэш- память объемом 8 Кбайт. Тактовая частота -33 МГц и он выполняет 26, 9 миллионов операций в секунду.

Pentium (1993-1998) был представлен в 1993 году. Он содержит 3, 21 млн. транзисторов. Процессор сохранил 32-разрядную адресную шину 486 семейства. В данном процессоре используются две 8-ми Кбайтные кэш – памяти – одну для команд, другую – для данных. На частоте 60 МГц процессор выполняет 100 млн. операций в секунду, а в частоте 66 МГц – 11, 6 млн. операций в секунду.

Pentium Pro (1995-1999) был усовершенствованием процессора Pentium и предназначался для использования в бизнес – приложениях, таких как высокопроизводительные рабочие станции и сетевые серверы. Рабочая тактовая частота равнялась от 150 до 200МГц.

Pentium MMX (1997-1999) мультимедийные расширения показал на 10-20% большую производительность по сравнению с обычными процессорами Pentium, работающими на той же тактовой частоте, при выполнении одних и тех же программ. Тактовая частота равнялись от 133 до 233 МГц. Этот процессор обеспечивал большую глубину цветопередачи и большее разрешение при сохранении высокой скорости смены кадров при воспроизведении и создании видео.

Pentium II (1997-настоящее время). Компания Intel объединил лучшие свойства процессоров Pentium Pro, Pentium MMX и в 1997 году был выпущен процессор Pentium II. данном процессоре используется 32 Кбайта кэш- памяти. В корпусе процессора также находится 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня, что позволяет получить максимальную производительнсть процессора, не полагаясь на кэш-памяти системной платы. Тактовая частота – от 233 до 450 МГц.

Процессор Pentium III (1999 -настоящее время) появился в 1999 году, и в нем было использовано то же само базовое ядро Pentium Pro, Pentium II.

Процессор Pentium IV (2000 -настоящее время) преодолел тактовой частоты 1 ГГц. В данном процессоре была использована новая архитектура, которая имеет ряд новых функциональных возможностей, включая гиперконвейерную технологию, 400 МГц системную шину, кэш-память для хранения адресов выполненных программных переходов исполняемой программы и блок ускоренной обработки. Процессор работает тактовой частотой от 1, 3 до 3, 6 ГГц.

Itanium (2001- настоящее время) процессор фирмы Intel, является первым 64 - разрядным процессором. Данный процессор основан на следующим поколений технологий, таких как четкий параллелизм (Explicit Parallelist), предсказание ветвлений (Prediction) и предположительное упреждающее выполнение программы, обеспечивающих высокую эффективность обработки и увеличивающие число исполняемых команд за один цикл.

Процессоры компании AMD. Серия процессоров Am486DX (1994-1995) появились в начале 1990 года. В процессоре был встроен кэш-память с обратной записью и улучшенные функции управления питанием, включая питание от 3-х вольт, режим управления системой и управление тактовой частотой.

Am5x86 (1995-1999) процессор вывел компанию AMD на рынок центральных микропроцессоров. Данный процессор работал с тактовой частотой 133 МГц, используя частоту 33 МГц шины 486 – системной платы.

Процессор серии К6 (1997- настоящее время) значительно сократил разрыв в производительности между процессорами компаний AMD и Intel. В процессорах К6 используются процессорный разъем Socket 7 и содержит семь параллельных исполнительных блоков и в нем реализован двухуровневый алгоритм предсказания ветвлений программы. Тактовая частота – от 166 до 300 МГц.

Процессор К6 и К6-3 (1998- настоящее время) появился в 1998 году. Цифра 2 в названии означает увеличенную тактовую частоту процессора и частоту шины с ядром процессора К6. Процессор К6-3 – это процессор К6-2, в который на кристалл процессора добавили кэш-память второго уровня емкостью 256 Кбайт, работающую на полной частоте ядра процессора.

Процессор Athlon (1999 – настоящее время) работает с тактовой частотой с 500 МГц и настоящее время достиг 2, 2 ГГц. По заявлению компании AMD модель Athlon является процессором седьмого поколения (7х86), в его основе лежит совершенно иная архитектура системной шины чем та, которая используется в центральном микропроцессорах семейства Pentium компании Intel. Компания AMD приобрела лицензию на технологию шины Alpha EV-6 у компании Digital Equipment Corporation. Данная шина работает на частоте 200 или 266 МГц и обладает пропускной способностью в 1, 6 Гбайт в секунду. В микропроцессорной системе системная шина может передавать 3, 2 Гбайт в секунду на частоте 400 МГц. Она включает такие передовые технологии как топология «точка-точка», синхронная пакетная передача данных, и низковольтовое питание.

Процессор Duron (2000 – настоящее время) был выпущен данной компанией в качестве конкурента процессору Celeron компании Intel. Процессоре реализован ядро процессора Athlon. Единственным отличием является меньший объем кэш-памяти.

Процессор компании VIA Cyrix. Компания Cyrix заявила о себе в 1992 году, выпустив процессор Cyrix 486SLC и в 1993 году выпустил процессор 486 DX4, а в 1995 году процессор Cyrix 5x86 (Mlsc). Этот процессор был единственной альтернативой процессору AMD 5x86.

Для обработки мультимедийной информации компанией был выпущен (1996-1999) MediaGX. Этот процессор 64- разрядный с ядром х86 – совместимого процессора. Тактовая частота от 120 до 300 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составляет 16 Кбайт.

Процессор 6х86МХ(1997-1999). Тактовая частота от 150 МГц до 333 МГц.

Процессор VIA/CyrixIII (1999-настоящее время). Данный процессор работает тактовой частотой от 500 до 700 МГц. Процессор располагает 128 Мбайт кэш-памятью первого уровня.

Процессор VIA Samuel II(2001 – настоящее время). Данный процессор в отличие от процессора CyrixIII имеет кэш-памяти второго уровня (64 Кбайт). Тактовая частота превысил 1 ГГц. Питание 1.5 В.