31
предсказания. Блок предсказаний предугадывает наиболее вероятное направление дальнейших вычислений. В том случае, если выбор был правильным, все выполненные к этому моменту команды будут считаться "правильными" и процессор продолжит дальнейшие вычисления. Если же предсказание было неверным — а это бывает примерно в 20% случаев, — то процессору ничего не остается делать, как заново начать обрабатывать инструкции, идущие за такой командой. В дальнейшем механизм предсказаний был дополнен возможностью выполнения команд не в том порядке, как они следуют в программе. Такие особенности архитектуры процессоров Pentium (а также самых последних моделей 486) эффективно повышают производительность процессора, не требуя повышения тактовой частоты, т. е. рассматриваемый нами процессор с тактовой частотой 100 МГц будет работать так, как обычный процессор, работающий на частоте 130 или 170 МГц. (Следует отметить, что механизм предсказаний в каждой последующей модели процессора Pentium совершенствуется). Кроме того, для повышения производительности в процессорах Pentium была применена суперскалярная архитектура. Это громкое название говорит о том, что в процессоре имеются два параллельно работающих конвейера. Начиная с 8086 процессор загружал "зараз" не одну инструкцию для выполнения, а несколько, помещая их в очередь — конвейер. Теперь один конвейер — "основной", или U-конвейер — остался аналогичен такому же, как у 486 процессора, а второй, V-конвейер работает с сокращенным числом команд. То есть процессор Pentium может выполнять в один и тот же момент сразу две разные инструкции. Следующая, наиболее отличительная особенность процессоров Pentium состоит в том, что шина данных у них 64-разрядная, хотя работают они с 32-разрядной арифметикой. Часто из-за этого их ошибочно относят к 64-разрядным процессорам, но на самом деле они принадлежат к семейству 32-разрядных процессоров. Только в процессоре Itanium разработчики корпорации "Intel" действительно полностью реализовали 64-разрядную архитектуру. Удвоение разрядности шины данных позволяет ускорить работу с внешней оперативной памятью. Используя возможности 64-разрядной шины, можно за один такт считать или записать в память сразу несколько инструкций или 8-байтных данных. Правда, не всегда производительность компьютера возрастает в два раза, т. к. часто важен лишь один байт данных или одна 16-разрядная инструкция. В этих случаях "лишние" данные отбрасываются.
32
Второе поколение процессоров Pentium
О втором поколении процессоров Pentium было объявлено в марте 1994 г. Тактовая частота для них составляла 90 МГц (149,8 млн операций в секунду) и 100 МГц (1663 млн операций в секунду). Количество транзисторов выросло до 3,2 млн (технология 0,6 мкм). Для снижения тепловыделения, которое у первого поколения Pentium достигало 16 Вт, напряжение питания было уменьшено до 3,3В, что и позволило повысить тактовую частоту. В последующих моделях процессоров Pentium второго поколения дополнительно снизили напряжение питания ядра процессора до величины в 2,9В. Принцип уменьшения напряжения питания оказался очень привлекательным с точки зрения повышения частоты процессора и надежности его работы, например, в Pentium 4 была достигнута величина в 1В. Так как удалось успешно избавиться от чрезмерного нагрева кристалла, то появилась возможность наращивать тактовую частоту ядра процессора. Для процессоров Pentium используют четыре коэффициента умножения — 1,5, 2, 2,5 и 3. Комбинируя тактовую частоту системной платы и коэффициент умножения, удалось получить ряд частот для ядра процессора вплоть до 200 МГц. Именно в соответствии с этим рядом выпускались следующие процессоры:
1)в октябре 1994 г. было объявлено о выпуске процессора Pentium с тактовой частотой 75 МГц (126,5 млн. операций в секунду);
2)в марте 1995 г. начато производство процессора Pentium с тактовой частотой 120 МГц (203 мин. операций в секунду);
3)наконец, в июне 1995 г. появился процессор Pentium с тактовой частотой 133 МГц (218,9 млн. операций в секунду), который оказался популярным в России, т. к. позволял эффективно работать с операционной системой Windows
95. При производстве процессора использовалась 0,35 мкм технология, а количество транзисторов на кристалле составило 3,3 млн.;
4)совершенствуя процесс изготовления микросхем, корпорация "Intel" в январе 1996 г. представила процессор Pentium с тактовой частотой 150 и 166 МГц;
5)последний процессор Pentium этого поколения работал с тактовой частотой 200 МГц. Для этого процессора дополнительно начал указываться новый индекс производительности iCOMP Index 2.0, который оказался равным 142.
Процессоры Pentium второго поколения могут работать с тактовыми частотами ядра 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 180 и 200 МГц. На системной плате предусмотрена возможность задания тактовой частоты 50, 60 и 66,66 МГц. Если проанализировать эти два ряда и учесть коэффициенты умножения, то
33
можно заметить, что одну и ту же частоту можно получить разными способами, например, 150 МГц реализуются комбинациями 50 МГц. х 3 и 60 МГц х 2,5. С точки зрения математики оба варианта дают абсолютно одинаковый результат, но для компьютера в каждом варианте есть свои преимущества и недостатки. Второй вариант, например, за счет более высокой тактовой частоты системной шины позволяет увеличить производительность компьютера, но в то же время для ряда системных плат и периферийных устройств возможна неустойчивая работа. Продолжая оказывать помощь пользователям в модернизации технически устаревших компьютеров, корпорация "Intel" выпускала ряд процессоров Pentium OverDrive. Например, для замены процессоров Pentium первого поколения предлагались процессоры Pentium OverDrive 120 и 133 МГц, а для модернизации компьютеров с процессорами второго поколения с тактовыми частотами 75, 90 и 100 МГц — Pentium OverDrive 125, 150 и 166
МГц. Конечно, следует заметить, что, как и в случае с Intel OverDrive 486, такие процессоры оказались дорогими и в России не получили популярности, тем более, что всегда выгоднее было купить сразу новые процессор и системную плату.
Процессор Pentium Pro
Шестое поколение процессоров х8б начало свой отсчет от процессора Pentium Pro и нашло свое развитие в Pentium II и III. Процессоры этого поколения до сих пор используются во всех сферах деятельности человека. С ними появились видеотелефоны, коллекции фильмов на компакт-дисках, распознавание зрительных образов и человеческой речи. Процессор Pentium Pro, родоначальник современных процессоров, появился 1 ноября 1995 г. Любопытной особенностью процессора Pentium Pro является то, что он может использоваться не только для IBM PC совместимых компьютеров, но и для компьютеров фирмы "Apple", которые используют процессоры корпорации "Motorola". При разработке процессоров Pentium Pro были использованы совершенно новые подходы к обработке информации. Например, с помощью метода динамического исполнения можно выполнять команды не в том порядке, как они указаны в коде программы. Т. е. команды, независимые от результатов предыдущих операций, будут обработаны в любой момент, в том числе и до начала выполнения команд условных переходов и работы с внешними устройствами. Существенной особенностью архитектуры процессоров Pentium Pro стало наличие второй шины данных разрядностью в 300 битов, независимой от основной. Такая шина потребовалась, чтобы эффективно работать с
34
внутренним кэшем второго уровня, который мог быть от 256 Кбайт до 1 Мбайт. Первые процессоры Pentium Pro работали на тактовой частоте 150, 166, 180 и 200 МГц. Объем адресуемой памяти был равен 64 Гбайт, а виртуальной памяти
— 64 Тбайт. Последний вариант процессора с тактовой частотой 200 МГц и одним мегабайтом встроенной кэш-памяти второго уровня был выпущен в августе 1997 г. Несмотря на великолепные технические характеристики, Pentium Pro не использовался для производства массовых IBM PC совместимых персональных компьютеров.
Процессор Pentium MMX
Процессоры Pentium MMX появились несколько позднее, чем следующий тип процессора — Pentium Pro, но для облегчения понимания развития компьютерных технологий следует сначала остановиться на технологии ММХ. Тем более что компьютеры с процессорами Pentium MMX до сих пор с успехом используются на предприятиях и дома. Главная изюминка технологии ММХ — это ускорение 2D- и 3D-графики, т. е. ускорение работы графических приложений — игр и видео — в среде операционной системы Windows 95. Фактически появление процессоров Pentium MMX ознаменовано тот факт, что "железо" и программы должны шагать в ногу. Как до этого обычно разрабатывали и внедряли новые типы процессоров: сначала появлялась новая микросхема с оригинальной архитектурой, а потом для нее создавались программы, в которых учитывались особенности нового процессора. Причем разработчики "железа" исходили из своих представлений о назначении нового процессора, а программисты самостоятельно пытались использовать новые возможности для совершенствования своих продуктов. А вот процессор Pentium MMX был разработан под конкретный программный продукт — операционную систему Windows 95. Если заглянуть в недавнее прошлое, то можно вспомнить, что все игры с отличной графикой работали в DOS, не используя возможности Windows. То есть пользователь, работая в среде Windows, запускал сессию DOS, а уже в ней начинала работать "навороченная" игра. Смысл такого многоступенчатого подхода был в том, что скорость отображения сложной графики в Windows 95 оказалась крайне низка. Максимум графических возможностей для Windows 95 — это весьма популярная игра "пасьянс". Для ускорения работы с графикой в процессоре Pentium ММХ появились дополнительные регистры и типы данных, а также инструкции (команды) для их использования. О выпуске процессора Pentium с технологией ММХ с тактовой частотой 166 и 200 МГц было объявлено в январе 1997 г. Количество
35
транзисторов на кристалле процессора достигло 4,5 млн (технология 0,35 мкм). О последнем процессоре, предназначенном для настольных персональных компьютеров с тактовой частотой 233 МГц, было объявлено в июне 1997 г. Для применения в мобильных ПК и ноутбуках выпускались процессоры Pentium MMX с тактовыми частотами 200 и 233 МГц (сентябрь 1997 г.) и 266 МГц (январь 1998 г.). В этих модификациях процессора использовалась 0,25 мкм технология. Через год, в январе 1999 г., для использования в ноутбуках корпорацией "Intel" был предложен еще один вариант процессора Pentium MMX с тактовой частотой 300 МГц. Несмотря на достоинства технологии ММХ, в ней оказались довольно серьезные недостатки. В первую очередь это невозможность одновременного использования сопроцессора и инструкций ММХ, т. к. регистры ММХ отображались на регистры сопроцессора. Если не учитывать такую особенность при написании программы, то вместо ускорения работы можно было получить резкое падение производительности компьютера. Кроме технологии ММХ, в процессорах Pentium MMX применены технологии, которые были разработаны для процессора Pentium Pro, например, более эффективный механизм предсказаний. Компьютеры с процессором Pentium MMX до сих пор эффективно используются с операционными системами Windows 95/98, показывая вполне достойную производительность в офисных приложениях.
Процессор Celeron
Процессор Celeron не является новым типом процессора, а представляет собой упрощенную версию какого-либо из процессоров Pentium II, III или 4. В основном, снижение технических характеристик (или перевод уже устаревшего процессора в более дешевую категорию) происходит за счет уменьшения: объема кэша второго уровня в два раза. Первые процессоры Celeron — это Pentium II. Вся разница между ними — это отсутствие дорогих микросхем кэша второго уровня в картридже. В итоге, на таком процессоре можно собирать дешевые компьютеры, от которых не требуется рекордов производительности. Заметим, что многим программам вполне хватает объема кэша первого уровня, а замедление работы компьютера во время чтения новой порции данных из основной оперативной памяти происходит не слишком часто. В дальнейшем процессоры Celeron, начиная с Celeron 300А, имеют кэш 128 Кбайт (это половинка кэша Pentium III).
Из конструктивных особенностей процессоров Celeron можно отметить уменьшенную разрядность шин, отсутствие ряда расширенных функции, нужных для создания высоконадежных компьютерных систем. Также не