Аппаратные средства персональных компьютеров. Самоучитель

Микросхемы процессоров, рассматриваемые в этой книге, могут отлично проводить арифметические действия с любыми целыми числами: сложение, вычитание, умножение и деление. Но если попросить разделить, например пять на два, то процессор честно ответит – два. Оказывается, число 1,5 неизвестно процессору, т. к. оно является дробным числом.

Сделаем здесь небольшое отступление и рассмотрим используемые в информационных технологиях системы счисления. В компьютерной литературе широко используется двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Для непрограммиста такой подход несколько неожидан, т. к. в реальной жизни используется десятичная система счисления, например нумерация страниц этой книги. Правда, современный человек вполне усвоил, что компьютеры оперируют двоичной системой счисления: да – нет или 0–1, а вот шестнадцатеричная система счисления вызывает множество вопросов. Но тут следует сказать, что для описания работы современных процессоров такая система счисления дает возможность легко понимать содержимое регистров и разбираться с адресной информацией.

Для удобства запоминания связи между разными системами счисления рассмотрите табл. 2.1 и попробуйте перевести, не смотря уже в таблицу, несколько десятичных чисел, например 11 и 68, в разные системы счисления.

Обозначают, в какой системе счисления записано число, несколькими способами. Для шестнадцатеричных чисел наиболее очевиден вариант, когда к числу добавляется приставка Hex или Н. Но программисты обычно используют другой способ, который применяется в листингах программ и конфигурационных файлах. В этом случае шестнадцатеричное число начинается символами "0х", например 0x1, 0x367, 0xFF71.

К двоичные числам добавляется символ "Ь", например 100111b.

Для обозначения десятичных чисел в большинстве случаев не применяют дополнительных символов, хотя иногда может добавляться символ "D". В основном, такой способ выделения десятичных чисел применяется в литературе по языку Ассемблера.

Таблица 2.1. Системы счисления

Итак, возвращаясь к процессорам, заметим, что для вычисления дробных чисел используются специальные подпрограммы, которым требуется не один машинный такт, за который процессор может сложить два целых числа, а значительно больше. То есть при использовании в прикладной программе дробных чисел скорость работы компьютера резко снижается. Еще хуже дело обстоит, когда нужно рассчитать траекторию точек на окружности, используя тригонометрические функции – компьютер может задуматься очень надолго.

Для ускорения работы компьютера уже в эру процессора 8086 выпускались математические сопроцессоры, которые умели быстро выполнять операции с дробными числами, плавающей точкой, вычислять тригонометрические, экспоненциальные и логарифмические функции. На старых системных платах рядом с процессором (его также называют центральным процессором), всегда находился сокет для математического сопроцессора.

Аппаратный интерфейс позволял подключать сопроцессор непосредственно к выводам центрального процессора. Если в процессе работы программе надо было использовать сопроцессор, то центральный процессор передавал данные сопроцессору. Шина данных, когда это было нужно, переходила в распоряжение сопроцессора.

Математические сопроцессоры выпускались для процессоров 8086/8088, 80256, 80386 и имели маркировку 8087, 80287 и 80387. С первыми процессорами 486, в которых не было блока сопроцессора, можно было использовать сопроцессор 80387.

Пользователь для ускорения работы своего персонального компьютера мог купить сопроцессор и самостоятельно установить его в соответствующий сокет. Так как сопроцессоры были дорогими, то вместо микросхемы 80287 можно было установить 8087, а вместо 80387 – 80287.

Процессор Intel 486

10 апреля 1989 г. было объявлено о выпуске процессора Intel 486DX. Архитектура процессора не была повторением или улучшением Intel 386, а представляла совершенно оригинальное решение. Фактически, это была настоящая вычислительная машина, выполненная на одном кристалле кремния, у которой имелась оперативная память, периферийные устройства и даже набор микропрограмм для обработки внешних команд. По сути это означало возможность совершенствования внутреннего устройства микросхемы процессора, не меняя внешнего интерфейса. То есть появлялась возможность многократно увеличивать производительность компьютера, меняя только процессор (для компьютеров с процессором Intel 386, например, нужно было повышать тактовую частоту, но это требовало серьезной доработки системной платы, поэтому чаще всего процессор с частотой 33 и 40 МГц припаивался, а не устанавливался в сокет).

Если рассмотреть внутреннее устройство нового процессора, то оказывалось, что он только внешне напоминал Intel 386, хоть и работал с системой команд х86. "Внутри" использовался RISC-процессор, который имел сокращенный набор команд х86, а остальные команды, которые он не мог выполнять непосредственно, преобразовывались вспомогательными блоками в цепочку инструкций. Такое оригинальное решение было вызвано тем, что программисты использовали, в большинстве случаев, ограниченный набор команд процессоров х86 (CISC-процессоров), а остальные появлялись в программах крайне редко. Поэтому использование ядром сокращенного набора команд позволяло упростить конструкцию микросхемы и увеличить скорость работы процессора.

Примечание

CISC (Complex Instruction Command Set)  – процессор с полным набором команд, в частности, это процессоры семейства х86. Набор команд CISC (концепция CISC) был разработан для удобства программистов, которые в те давние времена вынуждены были писать программы для маломощных компьютеров на языке Ассемблера (очень кропотливая и нудная работа!). Для ускорения процесса разработки программ в систему команд CISC были введены удобные команды, которые как бы представляли собой маленькие подпрограммы. В итоге, команды CISC-процессора имеют разную длину и время выполнения. К тому же CISC-процессор не отличается высокой производительностью, т. к. для выполнения некоторых команд требуется несколько машинных тактов.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)  – процессор с сокращенным набором команд. В процессорах с набором команд (концепцией) RISC все команды имеют одинаковую длину и формат, а также простую адресацию памяти. Каждая команда выполняет только простые действия за один такт. Программный код для таких процессоров легко поддается оптимизации, поэтому удается получить большую производительность для одной и той же технологии.

Разделение внутренней архитектуры на ядро и периферийные блоки в дальнейшем позволило организовать работу ядра на повышенной частоте. То есть интерфейс процессора работал на тактовой частоте, которую поддерживала системная плата, а ядро функционировало на более высокой, например, удвоенной или утроенной тактовой частоте.

Так как использование математического сопроцессора в компьютерах оказалось отличным способом повышения производительности, то в процессоре Intel 486 его разместили непосредственно на кристалле, сохранив программную совместимость с сопроцессором 80387.

Дополнительным способом повышения производительности оказалось решение разместить на кристалле также и кэш первого уровня. Теперь кэш второго уровня, который оставался на системной плате, использовался только тогда, когда не хватало объема внутреннего кэша.

Кроме изменения внутренней архитектуры, в процессоре Intel 486 появилась возможность работать с внешней памятью в пакетном режиме. Данный режим характеризуется тем, что процессор может прочитать или записать данные в ОЗУ целым блоком, не указывая каждый раз конкретную ячейку памяти. Так, указав адрес начала требуемого блока памяти чипсету (микросхемам системной платы, которые отвечают за работу с памятью и интерфейсами), процессор последовательно обращается к ячейкам памяти, тем самым сокращая время для пересылки данных.

Такие нововведения в архитектуру процессора в дальнейшем позволили совершенствовать как сам процессор, так и конструкцию системной платы, а также создавать новые типы микросхем оперативной памяти. Заметим, что пакетный режим стал наиболее популярным в настоящее время для процессоров класса Pentium.

Процессоры DX, DX2, DX4…

Второе поколение 32-разрядных процессоров выпускалось длительное время. Было разработано множество различных их модификаций, причем в совершенствовании архитектуры 486 процессора приняли активное участие конкуренты корпорации Intel, которые разработали уникальные, зачастую даже более эффективные модели процессоров, конструктивно и программно совместимых с продукцией корпорации Intel. Можно сказать, что на конструкции процессора 486 мировая компьютерная промышленность отрабатывала те технологии, которые сегодня стали стандартом для современных компьютеров с процессорами Pentium и Athlon.

Первые процессоры Intel 486DX имели тактовую частоту 25 МГц, выполняя 20 млн. операций в секунду (специальные тестовые программы показывали следующие значения производительности: 16,8 SPECint92, 7,40 SPECfp92). В 1990 г. начат выпуск процессоров с тактовой частотой 33 МГц (27 млн. операций в секунду, 22,4 SPECint92), в 1991 г.  – 50 МГц (41 млн. операций в секунду, 33,4 SPECint92, 14,5 SPECfp92).

Примечание

Специалистам, да и простым пользователям, всегда интересно знать, какой процессор более быстрый, более производительный и т. д. Для первых поколений процессоров, у которых была достаточно похожая архитектура, можно было использовать показатель MIPS (Mega Instruction Per Second), который говорит о том, сколько миллионов элементарных операций в секунду может выполнить процессор. Но вот при появлении процессоров с сильно различающейся архитектурой такой показатель перестал устраивать, т. к. один процессор быстрее выполнял математические операции, а другой лучше работал с графикой. Для сравнения различных процессоров стали использовать специальные комбинированные тесты, в которых использовались различные наборы операций, вначале – это операции с целыми и вещественными числами, а потом обработка изображений (чаще всего, моделирование 2D– и 3D-объектов).

Наиболее популярной единицей измерения производительности для первых 32-разрядных процессоров стал индекс ICOMP Index, который предложила корпорация Intel. Этот индекс вычислялся на основе ряда тестов, в том числе тестов SPEC, которые представляли собой смесь из операций с числами. В дальнейшем, когда производительность процессоров стала слишком велика для этих тестов, были придуманы другие тесты, например популярны некоторые версии теста Intel Media Benchmark, в котором моделируются различные 3D-объекты. Но, как следует заметить, прямой зависимости между теми или иными показателями нет, тем более, что каждый тест рассчитан на определенный круг типов процессоров.

Количество транзисторов в микросхеме процессора впервые перевалило миллионную отметку – 1 200 000 по технологии 1 мкм, а в процессорах с тактовой частотой 50 МГц применялась уже 0,8 мкм технология. Размер адресуемой памяти составлял 4 Гбайт, а виртуальной памяти 64 Тбайт, что повторяло возможности Intel 386.

Следуя принципам, отработанным при выпуске процессоров Intel 386, в 1991 г. появился упрощенный вариант Intel 486SX. Основное отличие этого процессора от базового состояло в том, что в нем отсутствовал математический сопроцессор.

Процессор Intel 486SX выпускался с тактовыми частотами: 16 МГц (13 млн. операций в секунду), 20 МГц (16,5 млн. операций в секунду), 25 МГц (20 млн. операций в секунду, 12 SPECint92) и 33 МГц (27 млн. операций в секунду, 15,86 SPECint92). Количество транзисторов на кристалле составляло 1 185 000 (технология 1 мкм) и 900 000 (технология 0,8 мкм).

Для модернизации компьютеров, в которых использовался процессор Intel 486SX, корпорация предложила интересный в то время вариант – замену старого процессора на специальный процессор. Такая операция позволяла за небольшие деньги резко повысить потребительские свойства компьютера, заменив один только процессор. Выпускались такие процессоры под названием Intel OverDrive. Правда, стоит отметить, что в России процессоры Intel OverDrive оказались большой редкостью, да и эффективнее оказалось одновременно заменить и процессор, и системную плату на более новые.

Для ноутбуков, которые к этому времени стали очень популярны, в ноябре 1992 г. был выпущен процессор Intel 486SL. Первый процессор работал на тактовой частоте 20 МГц (15,4 млн. операций в секунду), в дальнейшем частота возросла до 25 МГц (19 млн. операций в секунду) и 33 МГц (25 млн. операций в секунду). Количество транзисторов составило 1,4 млн. (технология 0,8 мкм).

Самая важная техническая характеристика для ноутбука – это энергопотребление, поэтому пусть вас не удивляет, что процессор Intel 486SL не обладал рекордной производительностью. Для снижения потребления тока даже был уменьшен объем адресуемой памяти до величины 64 Мбайт. Зато такой компьютер в дипломате мог долгое время работать от внутренних аккумуляторов, что сделало ноутбуки популярными среди бизнесменов.

Дальнейшее развитие семейства процессоров 486 пошло по пути использования для синхронизации ядра умноженной тактовой частоты системной платы. Первый такой вариант – процессор Intel DX2 – был представлен 3 марта 1992 г. (рис. 2.8). Цифра "2" после символов "DX" означала, что ядро работает на удвоенной частоте. Для первой модели Intel 486 DX50, который работал на тактовой частоте 50 МГц (41 млн. операций в секунду, 29,9 SPECint92, 14,2 SPECfp92), на системной плате нужно было установить специальными перемычками-джамперами частоту 25 МГц, а коэффициент умножения 2. Следующая модель с тактовой частотой 66 МГц появилась в августе 1992 г. (54 млн. операций в секунду, 39,6 SPECint92, 18,8 SPECfp92).

Рис. 2.8. Процессор 486DX2

Как вы понимаете, раз у пользователя есть возможность самому устанавливать для процессора величину тактовой частоты, то появляется искушение «разогнать» процессор, чтобы он работал на более высокой частоте. Заметим, что так большинство компьютерщиков и поступало (до сих пор это любимое занятие не только любителей, но и профессиональных программистов). Правда, не все экземпляры процессоров могли быть разогнаны на существенную величину, но, например, заставить 50-мегагерцовый процессор работать на частоте 66 МГц почти всегда возможно.

Количество транзисторов в процессорах Intel 486DX2 составило 1,2 млн. (технология 0,8 мкм).

Следующий рывок в повышении тактовой частоты ядра был реализован в процессоре Intel 486DX4, который появился в 1994 г., правда, цифра "4" не обозначала учетверение частоты. Коэффициент умножения тактовой частоты оказался равен 3. Выпускались две модели этого процессора: с тактовой частотой 75 МГц (53 млн. операций в секунду, 41,3 SPECint92, 20,1 SPECfp92) и 100 МГц (70,7 млн. операций в секунду, 54,59 SPECint92, 26,91 SPECfp92).

Количество транзисторов составило 1,6 млн. (технология 0,6 мкм).

Производительность компьютеров с процессором Intel 486DX4 оказалась настолько велика, что, если бы не настойчивость корпорации Intel по внедрению процессоров Pentium, он до сих пор мог быть образцом для подражания. Так, Intel 486DX4 позволяет комфортно использовать любые офисные приложения для операционной системы Windows 95/98. Но поскольку ряд фирм стали очень серьезно конкурировать с корпорацией Intel, производство этих процессоров было передано третьим фирмам. Сама корпорация Intel предложила пользователям процессоры нового поколения – Pentium.

Процессоры, совместимые с Intel 486

Хотите верьте, хотите нет, но очень многие пользователи в те времена предпочитали пользоваться не дорогими процессорами Intel 486DX4, а более дешевыми производства фирм AMD и Cyrix. Причем делали такой выбор не только из-за низкой цены – хотя это и немаловажно – а за более высокую их производительность для ряда приложений.

Создав процессор Intel 486, конструкторы корпорации Intel неожиданно для себя открыли поле деятельности для своих конкурентов. Ведь как раньше можно было совершенствовать выпускающийся промышленностью процессор? Приходилось покупать лицензию и дорабатывать второстепенные узлы или разрабатывать свой, новый с другой архитектурой.

Первый путь не дает возможности каких-либо прорывов, т. к. улучшать получалось только какой-нибудь параметр, а второй – нехорош тем, что теряется совместимость, что ведет к необходимости организации производства нового типа компьютеров.

Если вспомнить примеры, то путь совершенствования второстепенных узлов был избран фирмами Юго-Восточной Азии при производстве аналогов процессоров Intel 386. Кстати, многие системные платы комплектовались такими дешевыми процессорами, но у них не было особого технического преимущества перед образцом – процессором, разработанным корпорацией Intel. По этому пути пошли и в СССР, выпустив в свое время аналоги 8086 и 80286.

Второй путь чреват тем, что компьютеры с процессором, который несовместим с семейством х86, будут производиться очень ограниченным кругом фирм. Соответственно, цена на них будет значительно выше, а объем производства ниже. Наглядный пример – компьютеры фирмы Apple, которые превосходят IBM PC совместимые компьютеры в области работы с графикой, но дороже почти в два-три раза. В России из-за этого они – большая редкость, если не считать старых учебных компьютеров "Агат", собранных на 16-разрядном процессоре корпорации Motorola.

Уникальная же архитектура процессора 486 позволяла без потери совместимости создавать совершенно новые процессоры, которые могли обрабатывать данные по другим алгоритмам. Особенно преуспели в этом фирмы AMD и Cyrix. Оригинальные модели процессоров этих фирм выпускались несколько позднее появления следующего варианта Intel 486, но зато обладали какой-либо интересной особенностью.

Конечно, первые процессоры AMD и Cyrix не слишком отличались от аналогов, производимых корпорацией Intel, но старшие модели, появившиеся тогда, когда корпорация Intel уже начала производить процессоры Pentium, имели явно более предпочтительные параметры, правда, конкурировать со следующим поколением процессоров семейства х86 они, тем не менее, не могли.