Аппаратные средства ЭВМ
|
Скачать 2.52 Mb.
|
Важные определенияПрежде чем далее говорить о микропроцессорах, необходимо запомнить некоторые важные определения, которые пригодятся в дальнейшем: Периферийным устройством называется любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода. Регистр - совокупность бистабильных устройств (то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации. Порт — это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например, периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт в персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Номер порта — это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причем адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются. Прерывание - сигнал, по которому процессор узнает о совершении некоего асинхронного события. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как:
Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре), логические возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть: маскируемыми, то есть при определенных условиях (например, запрете на определенные прерывания) микропроцессор не обращает на них внимания; немаскируемыми, то есть не игнорируемыми ни при каких условиях. В этом случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти). В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя). Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.п. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква "h" (hexadecimal).
Исторически сложилось так, что набор инструкций, "понимаемых" (т. е. выполняемых) процессорами очень велик. Всего существует более 100 различных типов инструкций, причем многие из них принимают модификаторы, по существу превращающие один тип инструкций в целое семейство типов. В общем, процессор готов исполнить несколько сотен приказов программиста. Некоторые из них чрезвычайно просты, другие изрядно сложны. (Но не сложнее даже очевидной фразы на практически любом умеренно сложном человеческом языке.) Длина инструкций процессоров, например, х86 варьируется от одного - до десятка байтов. Короткими инструкциями кодируются простые действия. Сложные — длинными, причем некоторые могут достигать со всеми модификаторами до 20 байт длины. Все эти характеристики типичны для так называемого CISC-компьютера (Complex Instruction Set Computer, CISC — компьютер со сложным набором инструкций). С каждым новым поколением процессоров х86 CISC-компьютеры становятся все сложнее. Забавно, но одновременно они все больше напоминают RISC-машины (Reduced Instruction Set Computer, RISC — компьютер с уменьшенным набором инструкций). RISC-машины характеризуются относительно скудным набором инструкций одинаковой длины. В научных кругах уже много лет ведутся дискуссии о сравнительных достоинствах подходов CISC и RISC к проектированию. Проблема выбора уступила место идее объединения двух подходов. По мнению адвокатов RISC, хотя такой тип машин и не может выполнить много действий, реализуя одну инструкцию, зато каждая инструкция быстрее декодируется в набор операций для логического устройства процессора в силу их единого размера. В среднем, для выполнения RISC-инструкции требуется меньше тактов, чем для выполнения средней CISC-инструкции. Более того, обычно RISC-машинам под силу исполнение сразу нескольких инструкций за такт а на CISC-машинах есть инструкции, для выполнения требующие более 100 тактов. Ha эти выпады защитники CISC спокойно отвечают, что любимый ими подход имеет перед RISC два больших преимущества. Во-первых, заявляют они, программировать легче и естественнее под CISC-процессор, потому что он "знает" больше операций, элементарных с точки зрения программиста. А во-вторых, грамотно сделанный CISC-процессор может работать даже быстрее соответствующей RISC-машины, потому что сложные инструкции делают программы короче, а значит и быстрее. Банально, но истина опять где-то посередине. Всего 10 или 20 лет назад все высокопроизводительные рабочие станции, используемые инженерами, программистами, компьютерными художниками, были построены на базе RISC-процессора (или процессоров). Теперь же уровня RISC-станции можно достичь, купив CISC-персональный компьютер. Просто создатели CISC-процессоров, наконец, позаимствовали некоторые идеи RISC-подхода. В некоторых случаях, примером чему AMD, процессор научился разбивать сложные инструкции х86, ,которые программист считает неделимыми, на множество меньших RISC-инструкций, и уже они выполняются логическим устройством процессора. По сути дела, имеет место эмуляция работы CISC-процессора RISC-процессором. Что в свою очередь, очень неплохо, описывает работу процессоров Intel Pentium Pro, Pentium II, и последующих. Теперь даже Intel, до этого главный сторонник CISC-подхода, поумнела, и на микропрограммном уровне использует RISC подход, создавая уже RISC, но на программном уровне выглядящие как очень быстрые CISC-, машины. Более простой пример заимствования — конвейерная обработка и продуманное исполнение, разработанные первоначально именно для RISC-машин. Ho нашлись и те, которые не спорили, а пошли в третьем направлении, названном YLIW-обработкой (Very Long Computer Word, VLIW - очень длинное машинное слово). Основная идея здесь состоит в том, чтобы поместить несколько относительно простых инструкций в одну длинную, а затем построить процессор, выполняющий их все за один раз. Если все делать правильно, то может получиться нечто, имеющее лучшие черты и RISC-, и CISC-подхода. Сейчас Hewlett-Packard и Intel сотрудничают в этой области.
Первый микропроцессор — I4004 — был изготовлен в 1971 году, и с тех пор фирма Intel (INTegrated ELectronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая частота этого прапрадедушки современных "числодробилок" составляла всего 750 кГц. Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристальных микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Именно на этом микропроцессоре был основан компьютер "Альтаир", для которого молодой Билл Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Он был выполнен по n - канальной МОП - технологии (n-MOS), а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал другой микропроцессор фирмы Intel. i8088 Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981-м "Голубой Гигант", как иногда называют IBM, выбрал этот микропроцессор для своего первого персонального компьютера и, надо сказать, не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088 была возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Здесь следует, правда, отметить, что для IBM PC в этом пространстве программам было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан через свою внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами. Как известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было отведено 8 линий (1 байт). Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 MIPS (Million Instruction Per Second), однако впоследствии были разработаны его модификации, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц). Но ровно на год раньше своего счастливого последователя, появился процессор 8086 (в июне 1978 года), ставший популярным в основном благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадала с моделью i8088. Основное отличие данных микропроцессоров состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 разрядов у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь только при использовании компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти. Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982 года фирма Intel выпустила свой новый микропроцессор — i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Надо сказать, что этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM — PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог теперь работать в двух режимах — реальном и защищенном. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы 18088/86, то второй использовал более изощренную технику управления памятью. В частности, защищенный режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью выше 1 Мбайта. Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBM PC/ АТ286, микропроцессор i80286 мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24 адресные линии позволяли в защищенном режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1,2 MIPS. В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory Management Unit), которое помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоком управления страницами (Paging Unit). Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составило примерно 6 MIPS. В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386 работал как "быстрый 18088" (адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищенный режим был полностью совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее, в этом же режиме i80386 мог выполнять и свои "естественные" (native) 32-разрядные программы. Вспомним, что 32 адресные линии микропроцессора позволяют физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того, был введен новый режим — виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086. Более дешевая альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который впоследствии получил окончание DX, появилась только в июне 1988 года. Это был микропроцессор i80386SX. В отличие от своего старшего "собрата" новый микропроцессор использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресную (адресуемое пространство — 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандартных PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители "железа" стали заменять теперь уже устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX. Одним из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор 180386SX выпускался в количествах, существенно превосходящих рекордные показатели для 180386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошел от слова SiXteen (шестнадцать), поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора. На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор 486DX, который содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1,2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессорами ряда х86. Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства — микропроцессора i8088 — насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило достичь четырехкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор показал производительность 16,5 MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволила увеличить производительность еще на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчил и ускорил математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим всего лишь 30% пользователей. Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно было считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержал на кристалле кэш-контроллер и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него был заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i80486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривалось несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускалась адресация физической памяти размером 4 Гбайта и виртуальной памяти размером 64 Тбайта. К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представлял собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL. В набор i386SL впервые было введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое использовалось для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающей размер игральной карты.
В марте 1992 года фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486. Эти микропроцессоры, названные i486DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков микропроцессора в два раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50(66) МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцевой системой. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память на 8 Кбайт. Компьютеры, построенные на базе микропроцессоров i486DX2, работали приблизительно на 70% производительнее тех, что основаны на микропроцессорах i486DX первого поколения. Несколько позже появились процессоры i486SX2, в которых, как следует из названия, отсутствует встроенный сопроцессор. Технология умножения частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) находила и находит широкое применение практически во всех современных процессорах. Так, после DX2, фирма Intel выпускала серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4 (кодовое название Р24С). Процессоры этого семейства - 486DX4-75 и 486DX4-100 имели кэш-память 16 Кбайт и были предназначены для установки в системные платы, работающие на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляло 3,3 В, количество транзисторов на кристалле — 1,6 миллиона. В марте 1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60-Мегагерцевых версий процессора Pentium, известного ранее как 586 или Р5. Название нового микропроцессора является зарегистрированной торговой маркой корпорации Intel. Таким образом, в системах Intel Inside микропроцессор 586 фигурировать перестал. Системы, построенные на базе Pentium, были полностью совместимы со 100 миллионами персональных компьютеров, использовавших микропроцессоры 18088, i80286, i80386, i486. Новая микросхема содержала около 3,1 миллиона транзисторов, имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шины данных, что обеспечивало обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с. В отличие от процессоров семейства 486-х, для производства которых использовалась CMOS-технология, для Pentium фирма Intel применяла 0,8-микронную BiCMOS-технологию. Pentium с тактовой частотой 66 МГц имел производительность около 112 MIPS (миллионов инструкций в секунду). Суперскалярная архитектура содержала два пятиступенчатых блока исполнения, работавших независимо и обрабатывавших две инструкции за один такт синхронизации. Pentium имел два раздельных 8-Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Одним из наиболее интересных новшеств, использованных в Pentium, являлась небольшая кэш-память, называемая Branch Target Buffer — ВТВ (буфер меток переходов), которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости выполнения операций с плавающей точкой Pentium оставлял далеко позади всех своих "собратьев по классу" — 1486DX-33 (почти в 10 раз), 1486DX2-66 (2,5 раза). Это достигалось, в частности, благодаря реализации оптимизированных алгоритмов, а также специализированным аппаратным блокам сложения, умножения и деления с восьмиступенчатой конвейеризацией, что позволяло выполнять операции с плавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486 специального конвейера для устройств с плавающей точкой предусмотрено не было. В дальнейшем, выпускались версии процессоров второго поколения Pentium (P54C) с внутренним умножением частоты в 1,5 и 2 раза (кодовое название Р54С) на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60 и 166/66 МГц. Объявление первых моделей этих процессоров произошло в марте 1994 года. Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания для Р54С было снижено до 3,3 Вольт. Три режима энергопотребления были рассчитаны на максимальный ток 1 А, 50 мА и 100 мкА. Количество выводов возросло до 296 (рисунок 2). Размеры и тип корпуса также были изменены. Для производства кристалла была использована 0,6-микронная BiCMOS-технология. Количество транзисторов увеличено для 3,3 миллиона. Р  ис. 2 Процессор INTEL PENTIUM 133 МГц
Больша´я часть рынка процессоров принадлежит фирме AMD, которая начинала с производства процессоров по технологии Intel, хотя и вносила в их конструкцию значительные усовершенствования. К примеру, производство 386-х процессоров-клонов AMD практически все время сопровождалось судебными исками со стороны Intel. Несмотря на то, что основной упор сегодня фирмы AMD и Cyrix делают на процессоры с умножением частоты, в спектре их продукции по-прежнему присутствуют и "обычные" микросхемы. Указанные фирмы всегда старались наладить выпуск процессоров, отсутствующих в производственной программе Intel, и это им хорошо удавалось. Заслуженной популярностью пользовались, например, процессоры DX и SX, рассчитанные на внешнюю тактовую частоту 40 МГц. Эти изделия по производительности превосходили I486DX-33 и I486SX-33 и предлагались по более низким ценам. То же самое можно сказать о процессорах с умножением частоты, например Am486DX2-80. Кроме того, цены на микроэлектронные изделия AMD и Cyrix обычно были, да и сейчас ниже, чем на аналогичную продукцию Intel. Стоит отметить, что с уходом Intel с рынка 486-х процессоров наряду с изделиями фирм AMD и Cyrix на нем более активно начали предлагаться электронные компоненты, например, от компаний Texas Instruments, SGS-Thomson, UMC. Вторым после Intel производителем микропроцессоров по праву считается компания AMD. Как уже отмечалось, хотя между изделиями Texas Instruments и AMD довольно много общего, они унаследовали различную технологическую базу. Что касается фирмы AMD, то, став в свое время безусловным лидером на рынке 386-х процессоров, она после ухода Intel практически добилась того же успеха и на рынке 486-х. Так, микропроцессоры Аm486 потребляли меньшую мощность и имели некоторые усовершенствования в архитектуре, касающиеся управления памятью и организации использования ее в мультипроцессорных системах. Am486DX2/DX4 изготавливались с соблюдением технологических норм 0,5 мкм и имели напряжение питания 3,3—3,6 В. Благодаря этому до тактовой частоты 100 МГц на корпусе микросхемы было достаточно только охлаждающего радиатора, работа с более высокими частотами (включая и 100 МГц) требовала уже микровентилятора. Вообще говоря, микросхемы DX2 и DX4 представляли собой один и тот же процессор с переменным коэффициентом внутреннего умножения частоты. Как правило, значение коэффициента выбиралось соответствующей установкой перемычки на системной плате компьютера. Хотя данный кристалл в отличие от Intel DX4 имел лишь 8-Кбайтный кэш, как показывает практика, по производительности они примерно равны. Производительность Am486DX4-120 находилась на уровне Pentium 75/90. Выпускались также кристаллы, рассчитанные на тактовые частоты 133 и 160 МГц. В конце 1995 года было объявлено о появлении еще одного нового микропроцессора от AMD — Am5x86. Тактовая частота этой микросхемы составляла 133 МГц, а размер встроенной кэш-памяти с обратной записью достигал 16 Кбайт. Кристаллы производились с соблюдением технологических норм 0,35 мкм.
Проблема теплообмена стала особенно актуальной с повышением рабочей тактовой частоты процессоров и ужесточением технологических норм при производстве самих кристаллов. Заметим, что микросхема, рассеивающая более 4 Вт мощности, уже требует охлаждения. Имеются данные, показывающие, что снижение рабочей температуры процессора на 10 градусов ведет к удвоению времени его безотказной работы, при этом скорость движения электронов в полупроводниках также повышается почти вдвое. Стандартным решением для охлаждения микропроцессоров является малогабаритный вентилятор, установленный на радиаторе (Cool-CPU). Двигатель вентилятора запитывается от блока питания компьютера через переходной разъем. Сам радиатор может снизить температуру микросхемы примерно на 20 градусов, а вентилятор позволяет довести эту цифру до 40. Например, за 1994 год было произведено около 40 миллионов подобных устройств. Кроме обычных малогабаритных вентиляторов для охлаждения процессоров ряд фирм предлагают несколько оригинальных решений, например охлаждающие устройства, использующие термоэлектрический эффект Пелтье (Peltier). Данный эффект заключается в том, что прохождение слабого электрического тока через контакт двух специально подобранных материалов сопровождается поглощением тепла. Подобные термоэлектрические устройства способны снизить температуру на 50—70 градусов. Известны также миниатюрные вентиляторы, которые, используя вихревой, или турбулентный, эффект, могут понижать температуру до 50—55 градусов.
Важнейшей характеристикой любого компьютера является его быстродействие. Причем для ряда решаемых на компьютере задач одним из самых критичных параметров выступает скорость выполнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные универсальные микропроцессоры тратят на такие вычисления достаточно много времени. Поэтому вполне логичным было создание для этой цели специального устройства — микросхемы математического сопроцессора. До недавнего времени математический сопроцессор представлял собой специализированную интегральную схему, работающую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для одного — выполнения математических операций. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора. С другой стороны, хотя одно из значений слова "computer" и определяется как "тот, кто вычисляет", масса современных программных приложений, используемых на персональных компьютерах, вовсе не требует выполнения сложных математических операций. Впрочем, и интуитивно понятно, что для решения одних задач можно вполне обойтись без математического сопроцессора, для других же его отсутствие будет крайне нежелательным. Если не затрагивать специальных физических или математических (наверное, не очень сложных) задач моделирования, решаемых на персональных компьютерах, можно однозначно сказать о необходимости установки в компьютер математического сопроцессора для работы, например, с 3-мерной графикой, издательскими пакетами, электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с небольшими базами данных или обычными текстовыми редакторами, использование сопроцессора не даст никаких ощутимых результатов. Бесполезным окажется сопроцессор в вашем компьютере и при работе с сетевыми операционными системами. По некоторым оценкам, только треть всех владельцев персональных компьютеров эффективно используют математические сопроцессоры. Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был NDP (Numerical Data Processor или МСР, Math Coprocessor) i8087 фирмы Intel, который появился еще в 1980 году, то есть за год до рождения первой "писишки" IBM. Отношение самой фирмы IBM к "собрату" i8088 было на первых порах достаточно прохладным — панелька (chip socket) для i8087 на системной плате компьютера, как правило, пустовала. Но со временем помимо "чисто интеловских" сопроцессоров в персональных компьютерах появились математические сопроцессоры и ряда других фирм, например ULSI (Ultra Larges Scale Integration), AMD или Cyrix.
Рассуждая о том, насколько компьютеры каждого нового поколения быстрее своих предшественников, производители часто упоминают о сверхмасштабной (superscalar) производительности. Что же означает это загадочное слово? Грубо говоря, это означает, что если частоты часов старого и нового PC одинаковы, то новый PC все равно будет работать быстрее старого. Если частота часов нового PC в два раза больше, то новый PC будет работать более чем в два раза быстрее старого. То есть, производительность растет не пропорционально частоте, а быстрее, отсюда и приставка "сверх". Причин у сверхмасштабностй несколько. Обычно она достигается усовершенствованием внутренней структуры процессора, а именно, встраиванием дополнительных исполняющих модулей, увеличением размера конвейера инструкций, улучшением кэша L1 и. т. д. Другая причина сверхмасштабной производительности — это умение процессора "мыслить" на несколько ходов вперед, т. е. умение специально выполнять инструкции, очередь которых еще не настала, в надежде на то, что они понадобятся в дальнейшем. Если в дальнейшем дело действительно доходит до этих инструкций; то процессор пролетает их на повышенной скорости, не теряя времени на их выполнение. Есть еще один способ повысить производительность, не трогая частоту — поставить на материнскую плату дополнительный процессор. Независимо от причин, термин "сверхмасштабный" (иногда используют не вполне удачную кальку суперскалярный) обозначает компьютер, работающий быстрее, чем можно было подумать. Это конечно здорово, но нет здесь той запутанности, мистичности (или техничности), которых можно было ожидать от расшифровки столь загадочно звучащего термина.
Зачем изучать историю? – Это неинтересно! Зачем знать, в каком году был выпущен тот или иной микропроцессор? Скажете Вы. И будете не правы. Ибо, только изучая историю можно понять и предугадать будущее. Обратите внимание- процессор с 16-ти разрядной шиной данных i8086 появляется на год раньше процессора с 8-ми разрядной шиной данных i8088. Случайность – скажете Вы. А появление 32-х разрядного i80386DX на год раньше 16-ти разрядного i80386SX? А появление 486 SX позже 486DX? Просто на момент появления i8086 не существовало 16-ти разрядных приложений. Другими словами у появившегося процессора попросту не было потребителя на тот момент. Точно также большинству задач для 486 процессора не требовался сопроцессор. Таким образом, налицо тенденция развития рынка микропроцессоров – сначала появляется новый процессор, а затем более дешевый упрощенный его вариант, совместимый с существующими программными продуктами и аппаратным обеспечением. Вторая тенденция- это «поддержка программного и аппаратного обеспечения сверху вниз». Это означает, что любой новый процессор, например PENTIUM IV или DURON должен поддерживать весь набор инструкций более ранних процессоров, например i8088. Это связано со стремлением разработчиков «привязать» потребителя к конкретной платформе. И пусть этот набор инструкций морально устарел, зато потребителю не приходится переходить на другое программное обеспечение. Обратная сторона этой медали - невозможность кардинальных перемен, ведущих к значительному улучшению архитектуры процессоров. Вообще, производительность процессора можно повысить тремя способами: увеличивая разрядность, повышая тактовую частоту, совершенствуя архитектуру. Разрядность микропроцессоров (РС совместимых) в настоящее время достигла стабильных величин – шины адреса 32 (4 Гб адресного пространства), шины данных 64. Действительно, пока сложно представить себе компьютер с более чем 4 Гб оперативной памяти. Работы в области увеличения тактовых частот процессоров ведутся очень активно, но это экстенсивный путь развития: повышение частоты в 2 раза при прочих равных увеличивает производительность на 70%, и имеет физический и технологический пределы. Например, на сегодняшний (или уже вчерашний) день это 1,5 –2 ГГц. Следовательно, основной путь развития – оптимизация структуры процессора, и за счет этого, увеличение производительности. Тенденций здесь несколько: а. увеличение количества потоков, по которым могут производиться конвейерные вычисления, в. увеличение внутренней кэш памяти и деление ее на несколько уровней, что позволяет держать в «быстрой» памяти основные и наиболее часто используемые данные, с. и, наконец, разбиение «больших» команд на несколько более мелких и удобных для процессора. Кроме того, есть ряд характерных тенденций в технологии производства микропроцессоров. Это:
Таким образом, можно уже сейчас предположить каким будет процессор через 2-3 года:
При этом ошибочно было бы предполагать, что нельзя предугадать примерную цену на новый процессор. Дело в том, что цены на все высокотехнологичное оборудование меняются очень быстро. Связано это как с инфляцией, так и с необходимостью продвижения на рынке новых изделий. Таким образом, при себестоимости 5-10 долларов, продажная цена процессора может достигать величин 500-2000 долларов.  Рисунок 3 зависимость цены микропроцессора от его производительности. График зависимости цены микропроцессора в зависимости от его производительности представлен на рис.3. На этом графике специально нет координатной сетки, поскольку цена меняется практически каждую неделю, и следовательно, каждый может построить такой график сам для конкретного момента времени, используя любой индекс оценки производительности процессора (например iCOMP). Данную кривую можно аппроксимировать тремя прямыми, первая из которых, почти параллельная оси абсцисс, характеризует процессоры, выпускавшиеся 2-5 лет назад, и уже снятые с производства. Цена на них почти равна себестоимости. Третья, почти параллельная оси ординат, характеризует процессоры, выпускаемые в последнее время, а также только что выпущенные. Цена на них резко завышена. И, наконец, вторая прямая характеризует процессоры, производящиеся более года, но не более двух. Именно эти процессоры и являются оптимальными по соотношению цена/качество. Следует заметить, что штрих - пунктирной линией на этом же графике можно отметить то, что будет через какой-либо промежуток времени, например пол года. Те процессоры, которые стоили «бешеных» денег потеряют в цене, зато появятся новые, которые будут стоить столько же, сколько и их предшественники пол года назад. Таким образом, во все времена, современный производительный процессор стоил и будет стоить от 70 до 200 долларов, поскольку цена его связана не с себестоимостью производства (напомню, 5-10 долларов), а с реальным спросом населения. |
Похожие:
 |
Тема Основные возможности компьютеров Эвм приводят к сглаживанию различий между этими классами ЭВМ. Поэтому наиболее существенным признаком классификации ЭВМ является... |
|
Задачами производственной Программирование мобильных устройств, Конструирование программного обеспечения, Проектирование и архитектура программных систем,... |
|
Техника управления очередями Эвм для ведения своих личных или профессиональных дел. Эта тенденция ускоряется по мере того, как все большее число организаций и... |
|
Лекция Автоматическое и автоматизированное управление. 5 Лекция Основные требования к scada-системам и их возможности. Аппаратные и программные средства scada-систем 17 |
 |
Управление звуковой картой компьютера Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным ( на то оно и общение ). Взаимность, в свою очередь, предуcматривает... |
|
Инструкция №7 по охране труда для пользователей и операторов ЭВМ К работам с персональными ЭВМ и внешними устройствами ЭВМ допускаются лица, прошедшие медицинское освидетельствование, вводный инструктаж,... |
|
Инструкция №8 по охране труда для пользователей и операторов ЭВМ К работам с персональными ЭВМ и внешними устройствами ЭВМ допускаются лица, прошедшие медицинское освидетельствование, вводный инструктаж,... |
|
Курс лекций по дисциплине «Аппаратные средства телекоммуникационных систем» Содержание Транспортные сети. Структура и технологии транспортных сетей. Модели транспортных сетей. Принципы построения транспортных сетей.... |
|
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций» Целью является спроектировать локальную вычислительную сеть csma/cd образовательного учреждения |
|
Программно-аппаратные средства ввода зрительных данных в память персонального компьютера Стз), построенных на базе ibm-совместимых персональных компьютеров (ПК). Среди этих устройств выделяются устройства, работающие с... |
|
Программно-аппаратные средства ввода зрительных данных в память персонального компьютера Стз), построенных на базе ibm-совместимых персональных компьютеров (ПК). Среди этих устройств выделяются устройства, работающие с... |
|
М. В. Матвеичев Печатается по решению редакционно-издательского совета Муромского института Персональные ЭВМ и Спец. Эвм / Сост.: М. Н. Кулигин – Муром: Изд полиграфический центр ми влГУ, 20011.– … с. Библиогр.: 19 назв |
|
На разработку программы для ЭВМ «Система расщепления платежей (срп)» утверждено Перечень документов, регламентирующих создание и функционирование Программы для ЭВМ 9 |
|
Инструкция для студентов по работе с компьютерными учебниками на ЭВМ Шаг Запускается файл компьютерного учебника «КомУч-ттд ч. 1», который находится на рабочем столе эвм, после его активизации появляется... |
|
А. Д. Чередов организация ЭВМ и систем Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А. Д. Чередов; Томский политехнический университет. – 3-е изд., перераб и доп. – Томск:... |
|
Программа по дисциплине «Архитектура ЭВМ и систем» Учебная программа по дисциплине «Архитектура ЭВМ и систем» составлена в соответствии с требованиями гос впо. Предназначена для студентов... |