Устройство процессора

На первый взгляд процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако этот кристалл содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

Если же посмотреть на центральный процессор с «большей высоты», можно выделить несколько важных составляющих:

· Собственно процессор – «вычислитель»

· Сопроцессор (FPU) – специальный блок для операций с плавающей точкой

· Кэш-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений

· Кэш-память второго уровня – эта память помедленнее, зато больше (измеряется уже сотнями килобайт). Она может быть интегрирована на самом кристалле процессора, а может быть выполнена в виде дополнительного кристалла.

Архитектура линии процессоров х86 фирмы Intel основана на концепции CISC (Complex Instruction Set Calculation) – расширенной системе команд переменной длины, появившейся в 1978 году. Команды х86 могут иметь длину от 8 до 108 бит, и процессор должен последовательно декодировать инструкцию после определения ее границ. Тогда процессоры были скалярными устройствами (то есть могли в каждый момент времени выполнять только оду команду), конвейерная обработка практически не применялась (исключение составляли большие ЭВМ). Позже (в 1986 году) появились процессоры, основанные на архитектуре RISC (Reduced Instruction Set Calculation) – сокращенном наборе команд фиксированной длины, которая была оптимизирована для суперскалярных (с возможностью выполнения нескольких команд одновременно) конвейерных вычислений.

С тех пор обе линии до недавних пор развивались практически независимо. Intel с целью обеспечения совместимости не могла отказаться от архитектуры CISC даже в новейших моделях процессоров х86, а фирма Apple, ориентировавшаяся на процессоры с архитектурой RISC, не могла существенно увеличить свою долю на рынке PC из-за трудностей с использованием программ для х86 на своих компьютерах. Однако в отдельных модификациях своих процессоров фирме AMD удалось совместить обе архитектуры. То есть микроядро процессора работает на основе архитектуры RISC, а специальный блок интерпретирует команды CISC для обеспечения совместимости с системой команд х86.

Важным элементом процессора является блок обработки данных с плавающей точкой (FPU – Floating Point Unit). Начиная с модели Intel 80486, он встроен в ядро процессора у всех без исключения процессоров разных производителей. От эффективности этого блока напрямую зависит скорость работы процессора со сложными приложениями (графика, мультимедиа, трехмерные объекты). Несмотря на все усилия конкурентов, фирме Intel до недавнего времени удавалось в своих процессорах удерживать лидерство по эффективности работы FPU. Однако с появлением процессора Athlon фирмы AMD положение по меньшей мере выровнялось. А на многих тестах Athlon опережает изделия Intel.

 

Скорость работы центрального процессора

Тактовая частота и объем установленной на процессоре кэш-памяти являются важнейшими факторами, влияющими на его производительность для всех типов задач. По спецификации PC99 тактовая частота процессора мультимедийного компьютера должна быть не менее 300 МГц, а в спецификации PC 2001 требования стали еще жестче и минимальная тактовая частота на 2001-2002 год составляет 667 МГц. Минимальный объем кэш-памяти – 128 Кб.

Имеется ряд специализированных задач, ускоренное решение которых возможно за счет оптимизации операций на аппаратном уровне. Впервые эту проблему попыталась решить Intel внедрением технологии MMX (MultiMedia Extension – мультимедийное расширение). И так немалый набор команд х86 был расширен за счет 57 дополнительных инструкций типа SIMD (Single Instruction – Multiple Data – одна инструкция для многих данных), позволивших распараллелить обработку данных. Технология MMX значительно ускорила работу процессора с мультимедийными приложениями. Но у него имелся существенный недостаток – невозможность обработки данных с плавающей точкой. А ведь именно такие операции характерны для приложений, интенсивно использующих трехмерную графику.

Впервые технология для обработки данных с плавающей точкой была реализована фирмой AMD в процессоре K6-2 и получила название 3DNow! Она включает в себя 21 инструкцию типа SIMD, оптимизированных для параллельной обработки данных с плавающей точкой.

С некоторым опозданием похожую технологию под названием SSE (Streaming SIMD Extension) реализовала фирма Intel в своем процессоре Pentium III. Фактически Intel ввела новый режим работы процессора – параллельную обработку инструкций FPU и SSE.

 

Кристалл

При производстве процессоров используются так называемые технологические нормы, означающие допустимое расстояние между цепями на кристалле кремния и минимально возможный размер логических и других элементов. Естественно, что чем меньше это расстояние, тем больше элементов можно разместить на единице площади кристалла или при неизменном числе элементов сделать больше кристаллов из исходной кремниевой пластины. К тому же уменьшение размеров приводит и к уменьшению рассеиваемой мощности, что позволяет поднять рабочую частоту, на которой надежно функционируют элементы. Поэтому все производители процессоров стремятся ужесточать технологические нормы для повышения производительности. Еще недавно стандартом считался показатель 0,35 микрон, сейчас процессоры изготовляют по норме 0,25 и 0,18 микрон.

Лидером в технологии всегда была фирма Intel, которая имеет возможность вкладывать большие средства в передовые разработки. Но в последнее время фирма AMD быстрее осваивает новые технологические нормы.

 

Конструктив

С «легкой руки» Intel в компьютерной индустрии появилось и понятие «конструктив». Это слово весьма точно передает суть некоего сооружения, в недра которого заключены процессоры Intel, начиная с Pentium II, предназначенные для установки в Slot 1. Там и процессорная плата, на которой располагаются кристаллы собственно процессора и кэш-память второго уровня, и корпус, охватывающий эту плату, и разъем под Slot1 или Slot 2. Вся эта конструкция была названа SECC (Single Edge Contact Cartridge – картридж с односторонними контактами). Следом за Intel и фирма AMD выпустила свой процессор Athlon для установки в разъем Slot A. (см. рисунок)

Процессоры Celeron корпуса не удостоился ввиду отсутствия отдельного кристалла кэш-памяти.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг Intel – выпуск Celeron в конструктиве PPGA (Plastic Pin Grid Array), то есть возврат к технологии, характерной для интерфейса Socket 7.

Сравнительно недавно появились новые конструктивы: FC-PGA 370 для процессоров фирмы Intel и Socket A для процессоров AMD Athlon и Duron. То есть практически произошел возврат к технологическим решениям, характерным для Socket 7, но на ином технологическом уровне. (см. рисунок)

 

Оперативная память

Как известно, данные компьютер хранит в основном на специальном устройстве – жестком диске. И в процессе работы берет ее именно оттуда. А куда помещается информация потом?

Понятно, что для оперативной работы с данными процессору необходима более быстродей­ствующая память, чем жесткий диск. В принципе такая память уже встроена в сам процессор – это кэш-память. Но ее объем чрезвычайно мал, а для работы с современными программами не­обходимы десятки и даже сотни мегабайт.

Для этого и нужна компьютеру оперативная память, обладающая высокой скоростью дос­тупа и имеющая довольно большой объем. Она предназначена для хранения результатов вся­кого рода операций и вычислений. Хранить в ней информацию постоянно невозможно, так как при отключении питания вся информация в оперативной памяти исчезает.

Рост требуемых объемов оперативной памяти происходит практически непрерывно по мере развития технологии аппаратных средств и программных продуктов. Сегодня по спецификации PC 2001 объем оперативной памяти мультимедийного компьютера не должен быть меньше 64 Мб. Для комфортной работы в среде издательских пакетов и графических редакторов понадо­бится уже 128 Мб. Если же работать с цветом, то 256 Мб оперативной памяти не покажутся лишними. Для профессиональной работы по созданию трехмерных изображений высокого ка­чества, обработки видео в реальном времени лучше иметь не менее 512 Мб.

Оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули. Стандартом сегодня считаются 168-контактные DIMM-модули памяти типа SDRAM, соответст­вующие спецификации РС-133, то есть, которые могут быть установлены на материнские платы с частотой системной шины 133 МГц. Максимальная пропускная способность этих модулей памяти – 1066 Мб/с.

Однако все большую популярность приобретают модули памяти типа DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM – синхронная память с удвоенной передачей данных). Такая память обеспе­чивает максимальную полосу пропускания только в случае передачи единых массивов данных. При работе с разрозненными данными производительность резко падает, но все равно превос­ходит показатели обычной SDRAM. Пиковая полоса пропускания памяти DDR SDRAM дости­гает 2100 Мб/с при частоте системной шины 133 МГц.

 

Видеокарта

Бурное развитие и внедрение в качестве стандарта де-факто графического интерфейса опе­рационных систем, прикладных и игровых программ явилось стимулом к появлению нового поколения видеоадаптеров, которые принято называть «графическими ускорителями». Обычно под этим понятием подразумевают, что многие графические функции выполняются в самом видеоадаптере на аппаратном уровне. Так как эти функции связаны с рисованием графических примитивов (линий, дуг, окружностей и прочих фигур), заливкой цветом участков изображения, перемещением блоков (например, окон), то есть с обработкой графики в двух измерениях на одной плоскости, то такие ускорители получили обозначение 2D-ускорителей.

Трехмерные (3D) ускорители из разряда экзотического профессионального оборудования перешли в массовый сектор благодаря опять же новым программам, прежде всего игровым, по­требовавшим обсчета и построения трехмерных (объемных) изображений на экране монитора в реальном времени. Поначалу они выпускались в виде отдельных плат, занимавших отдельный слот PCI. Сейчас 2D/3D ускорители установлены на самой плате видеоадаптера.

Работа с графикой – одна из самых трудных задач, которые приходится решать мультиме­дийному компьютеру. Сложные изображения, миллионы цветов и от­тенков… Поэтому нет ничего удивительного, что для этой работы приходится устанавливать в компьютер фактически второй мощ­ный процессор. Он находится на видеокарте и предназначен для того, чтобы разгрузить центральный процессор при обра­ботке графики.

Еще несколько лет назад перечень обязательных функций видеокарт состоял только из одной позиции – работа с обычной двумерной графикой. И именно исходя из быстроты и качества работы в 2D-режиме они оценивались.

Сегодня ситуация изменилась: все современные видеокарты способны быстро и качественно обрабатывать двумерную графику и ждать каких либо продвижений в этой области уже не стоит. Однако у видеокарты появились новые обязанности. Первая и обязательная для всех современных видеоадаптеров – поддержка объемной, трехмерной графики, то есть наличие 3D-ускорителя. Среди дополнительных функций – возможность приема телевизионного сигнала (встроенный TV-тюнер), аппаратное декодирование и воспроизведение VideoCD и DVD-дисков, наличие TV-входа/выхода.