5257

91

пространенными являются архитектуры RISC и CISC.

RISC. Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers – сокращённый набор команд) используют сравнительно небольшой набор команд. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объёме оборудования. Вычислительные возможности RISCпроцессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот приём позволяет увеличить тактовую частоту (а значит, и производительность) компьютера: чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-процессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-процессоры в 2 – 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC-процессоров с обычной системой команд и являются более высокопроизводительными, несмотря на больший размер программ. RISC-архитектура построена на 4 основных принципах:

любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от её типа;

система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины;

операции обработки данных реализуются только в формате «регистр — регистр» (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки – записи);

состав системы команд должен быть удобен для компиляции операторов языков высокого уровня.

Усложнение RISC-процессоров фактически приближает их архитектуру к CISC-архитектуре. Количество процессоров с RISC-архитектурой возрастает, и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы IBM, Intel,

Motorola.

CISC. Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers – архитектура вычислений с полной системой команд) реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до сложных.

92

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC. К этой архитектуре относятся все микропроцессору семейства х86.

Впоследнее время появились гибридные процессоры, которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобразовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются ядром процессора. Постепенное усложнение CISCпроцессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня.

Вто же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC-архитектурой привели к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, 80386 — 275000, Pentium — 3100000, Pentium 4 — от 40 млн транзисторов и превзошёл рубеж 100 млн. Для того чтобы такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энергопотреблением и размещаться на ограниченной площади кристалла, производители работают над миниатюризацией транзисторов. Сегодня выпускаются микропроцессоры по нанометровому технологическому процессу (65и 45 нм) и осваиваются технологии более тонкие – 22 и 18 нанометров.

Параметры процессоров. Структуры различных типов процессоров могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.

Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП для микрокалькуляторов основывались на 4-разрядной архитектуре. Для микро-ЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.

Для первых персональных компьютеров применялись МП с 16-разрядной архитектурой, с использованием принципа параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В микропроцессорах с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адре-

93

сующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как правило, используются 20разрядные адресные регистры, адресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ до 4 ГБ памяти. Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП.

Одним из важных параметров МП является внутренняя тактовая частота его работы и её согласованность с частотой системной шиной, которая обычно задается внешними генераторами. Для процессоров Pentium стандартными являлись частоты системной шины 66, 100, 133, 266, 400, 533, 800, 1066 МГц, а собственная частота микропроцессора достигла 3,8 ГГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и её выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 – 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и запись результата в память. Поэтому нельзя определять быстродействие ПК только тактовой частотой процессора. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.

Действительно, если говорить просто о количестве транзисторов (таблица 6) то их число за 40 лет возросло на много порядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i80486 содержал 1,4 млн транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн транзисторов в одном кристалле. В процессоре Intel Pentium 4 на основе 90-нанометрового технологического процесса количество транзисторов насчитывает уже около 125 млн, а технология производства интегральных микросхем сегодня позволила увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно. Появились процессоры более чем с миллиардом транзисторов.

Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых – скорость, производительность и энергопотребление.

Однако законы физики ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и, хотя частоты растут каждый год, это не может дать того

94

прироста производительности, что было до настоящего времени. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый такт. Развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную и 64-разрядную архитектуру.

Процесс производства. Кремний или силикон – это основной материал для производства чипов. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

Сначала выращивается кремневое основание. Оно должно иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на её размер. На следующей стадии заготовка разрезается на слои, называемые пластинами. Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создаётся чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров.

Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста – а это в 3 – 300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы. Технологический процесс производства значительно сказывается на количестве транзисторов (см. таблицу 6.1) и, следовательно, быстродействии процессора.

Таблица 6.1 – Технологический процесс производства микропроцессоров компании Intel

95

6.2. Процессоры Intel и этапы развития их производства

Архитектура Intel стала стандартом «де-факто» современной компьютерной индустрии после того, как в 1981 г. компания IBM выбрала для своего первого персонального компьютера IBM PC процессор Intel 8088. Основополагающими факторами такой популярности Intel считает полную совместимость программного обеспечения, разработанного под Intel процессоры, и всё более серьёзные увеличения производительности, предлагавшиеся с выходом новых поколений процессоров. Родоначальниками процессорной архитектуры Intel являлись 16разрядные процессоры 8088 и 8086.

Процессор 80286 привнёс в архитектуру Intel защищённый режим. В нём содержимое сегментных регистров используется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, которые давали возможность 24-разрядной адресации, что составляло 16 МБ адресного пространства. К тому же появилась возможность 4 уровня защиты кода операционной системы от приложений и защита приложений друг от друга.

Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором. В архитектуру введены 32-разрядные регистры общего назначения, подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и верхняя половины сохранили возможность

96

работы в качестве самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного выполнения кода, созданного под ранние процессоры, на 32-разрядных процессорах был введён виртуальный х86-режим. Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор поддерживал адресацию до 4 ГБ памяти.

Вархитектуре процессоров Intel поддерживается обратная совместимость с объектным кодом для сохранения совместимости программного обеспечения, но

вто же время в каждом новом поколении используются всё более эффективные микропроцессорные архитектуры и технологии конструирования.

Впроцессор i80486 добавлена возможность параллельного выполнения с помощью расширения блока декодирования инструкции и блока выполнения процессора 80386 в пять конвейерных стадий, где каждая стадия (если нужно) работает параллельно с другими и одновременно может выполняться до пяти инструкций в разных стадиях. В процессоре i80486 впервые на чип с CPU был интегрирован блок арифметического устройства с плавающей запятой (FPU) и добавлены новые контакты, биты и инструкции для поддержки более сложных и мощных систем (поддержку L2-кэша и мультипроцессорное).

Процессор Pentium стал первым процессором, в котором была применена суперскалярная архитектура – два конвейера, называвшиеся U и V, позволяли выполнять 2 инструкции за такт. Количество L1–кэша удвоилось (16 Кбайт) – теперь на команды и данные приходилось по 8 КБ, причем кэш данных использовал более эффективную схему с обратной записью. Для эффективного предсказания переходов в циклических конструкциях применялась встроенная таблица ветвлений. Регистры остались 32-разрядными, но некоторые внутренние шины расширились до 64 и даже 128 разрядов. Также 64-разрядной стала внешняя шина данных.

Последний процессор этого поколения, Pentium MMX, добавил в архитектуру расширенный набор команд, позволявший эффективно оперировать упакованными целочисленными данными, находящимися в 64-разрядных ММХрегистрах. Процессор MMX содержал встроенные инструкции по обработке мультимедийных функций. В 1995 году было представлено семейство процессоров Р6, имевшее уже 3 независимых конвейера. Первым процессором этого семейства был процессор Pentium Pro. Шина адреса процессоров Р6 расширилась до 36 разрядов, что позволяет использовать адресное пространство размером до 64 Гб. В процессор Pentium II к архитектуре процессора Pentium Pro добавлены команды ММХ. В процессоре Pentium II увеличен кэш данных L1 и кэш инструк-

97

ций L1 до 16 КБ каждый. В процессоре Pentium II размер кэша L2 может быть 256 КБ, 512 КБ и 1 МБ или 2 МБ.

98

Таблица 6.3 – Процессоры Intel: сравнительные характеристики

99

продолжение таблицы 6.3

Процессор Pentium III, выпущенный в 1999 году, внёс в архитектуру Intel

расширения SSE (Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extensions) –

стали доступны новые 128-разрядные регистры и SIMD-операции над упакованными операндами с плавающей запятой с одинарной точностью.

Очевидный путь повышения производительности – увеличение числа ступеней конвейера и повышение частоты процессора.

Pentium 4. Процессор Pentium 4 можно отнести к седьмому поколению, так как в нём использовано довольно много принципиальных новшеств. Для Pentium 4 Intel разработала новую архитектуру, которую назвала Intel NetBurst MicroArchitecture.

Для того чтобы процессоры могли работать на частотах порядка нескольких гигагерц, Intel увеличила длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology), за счёт чего удалось даже при технологических нормах 0,18 мкм добиться работы процессора на частоте в 2 ГГц.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты. Два блока АЛУ (арифметикологическое устройство), выполняющих операции над целочисленными данными, работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора.

100

Самой интересной особенностью процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). К 70 инструкциям SSE1, работающим с потоковыми данными одинарной точности, добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной 1 – 8 байт. Оптимизация программ под SSE2 увеличила их производительность в 2 – 5 раз. Основные этапы развития процессоров Intel и новых технологий отражены в таблице 6.3.

Intel Core. С 2006 года началось производство нового процессора. Официально он назывался Intel Core 2 Duo processor E6700. Развитие этого модельного ряда и его основные характеристики представлены в таблице 6.4.

6.3. Конструктивы процессоров

Процессоры, выпускаемые компанией Intel, отличаются большим разнообразием конструктивов. Процессоры Pentium II изготавливались в конструктиве SECC и SEPP. Для этих процессоров был разработан Slot 1 – щелевой разъём с 242 контактами. В этот же слот устанавливаются и процессоры Celeron, и некоторые из Pentium III. Слот позволяет работать с частотой системной шины 66 или 100 М Гц.

В процессорах Celeron идея упаковки в картридж себя изжила – одну микросхему ядра легко упаковать и в обычный корпус со штырьковыми выводами. Так появился Celeron в корпусе PPGA (Plastic Pin Grid Array), напоминающий по ви-

ду Pentium в форм-факторе Socket 370 (по числу выводов).

Процессоры Pentium III выпускались в Socket-370 и Socket-423, Pentium 4 вы-

пускался в Socket-423 и Socket-478, а также в варианте LGA 775. Последние мо-

дели процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad, Intel Core i-7, i-5, i-3 выпускаются под сокет LGA 1155, LGA 1156, LGA 1136 и LGA 2011.

Процессоры компании AMD в недавнем прошлом выпускались под Socket939, FM1, FM2, а последние модели используют следующие фирменные типо-

размеры AM2, AM2+, AM3, AM3+.

Характеристики современных моделей Intel Core (2012–2013 гг.) вместе с процессорами от фирмы AMD отражены в таблице 10. Процессоры компании AMD являются альтернативой процессорам компании Intel для IBM совместимых компьютеров. Как видно из данных таблицы 10, они обгоняют процессоры Intel по тактовой частоте, количеству ядер и объёму кэш-памяти. Ценовая политика компании AMD также привлекает пользователей, особенно домашних ком-