Процессоры персональных компьютеров

      Несколько  позже появился микропроцессор 8088, архитектурно повторяющий микропроцессор 8086 и имеющий 16-битный внутренние  регистры, но его внешняя шина  данных составляет 8 бит. Широкой  популярности микропроцессора способствовало  его применение фирмой IBM в персональных  компьютерах PC и PC/XT.

 

Процессор 80186/88.

 

 

      В 1981 г.  появились микропроцессоры 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру  микропроцессоров 8086/8088, но содержали  на кристалле контроллер прямого  доступа к памяти, счетчик/таймер  и контроллер прерываний. Кроме  того, была несколько расширена  система команд. Однако широкого  распространения эти микропроцессоры,  не получили.

 

Процессор 80286.

 

 

      Следующим  крупным шагом в разработке  новых идей стал микропроцессор 80286, появившийся в 1982 году. При  разработке были учтены достижения  в архитектуре микрокомпьютеров  и больших компьютеров. Процессор  80286 может работать в двух режимах:  в режиме реального адреса  он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального  адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях PS/2.

 

Процессор 80386.

 

 

      При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось  решить две основные задачи - совместимость  и производительность. Первая из  них была решена с помощью  эмуляции микропроцессора 8086 - режим  реального адреса (Real Adress Mode) или R-режим.

      В Р – режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти, ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.

      Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно  и параллельно работающих блоков  с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие  эти блоки, имеют разрядность  32 бит. Конвейерная организация  функциональных блоков в 80386 допускает  временное наложение выполнения  различных стадий команды и  позволяет одновременно выполнять  несколько операций. Кроме конвейерной  обработки всех команд, в 80386 выполнение  ряда важных операций осуществляется  специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может  выполнять 32-битное умножение  за 9-41 такт синхронизации, в зависимости  от числа значащих цифр; он  может разделить 32-битные операнды  за 38 тактов (в случае чисел без  знаков) или за 43 такта (в случае  чисел со знаками). Регистр группового  сдвига 80386 может за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.

 

Процессор 80486.

 

 

      В 1989 г.  Intel представила первого представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд. Восьмикилобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 Мегагерц гарантируют высокую производительность системы даже с недорогими дисками (DRAM).

 

Процессор i486SX.

 

 

      Появление  нового микропроцессора i486SX фирмы  Intel вполне можно 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, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него 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 i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается 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 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт

 

 

 

Процессор Pentium.

 

 

      В то  время, когда Винод Дэм делал первые наброски, начав в июне 1989 года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот продукт будет одним из главных достижений фирмы Intel. Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология, позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог работать в реальной системе. В дополнение ко всему, в процессе разработки и тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что немало способствовало общему успеху проекта. В конце 1991 года, когда была завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и прохождение сигналов по подложке с целью оптимизации топологии и повышения эффективности работы. Проектирование в основном было завершено в феврале 1992 года. Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров, в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992 года было принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium процессора. Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые позволяют выполнять более, чем одну команду за один период тактовой частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой микропроцессор.

      Cуперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

      Появление  суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486 способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы Intel требовали множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

      Другое  важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования программного кода и данных.

      Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

      В результате  этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных видео приложений, как CAD и 3D-графика.

 

Практическая часть

 

 

 

Ускорение процессоров десять лет назад.

 

 

    Разгон процессора  – это увеличение скорости  его работы без внесения, каких  либо изменений в его конструкцию  за счет потенциального снижения  надежности работы. Потенциального  – потому, что с умелыми руками  и холодным рассудком «убить»  нормальный камень просто невозможно. Разумеется, если вы поднимете  напряжение раза в полтора  и при этом забудете подключить  питание у кулера, то процессор  сгорит.

 

 

    Как ускорить  процессор?

    Самым безопасным  способом является простое увеличение  т.н. множителя на материнской  плате. Например, у вас процессор  Pentium 120. Его частота получается, как 60 МГц шины умноженные на 2. Вот эту самую двойку и надо слегка поправить. Берем инструкцию к материнской плате и смотрим – как выставить множитель 2.5. Выставляйте. Теперь включаем компьютер и, если все будет нормально, то процессор будет работать на 150 МГц. Почему этот способ наиболее безопасный? Да потому, что разгонять подвергается только процессор, а шина (т.е. 60 МГц) остается неизменной. Это означает, что все остальные компоненты работают в штатном режиме, и вероятность их выхода из строя по причине разгона равна нулю.

 

 

    Но! Фирма Intel уже довольно давно имеет привычку намертво фиксировать множитель вверх (а в последнее время – и вниз), так что этот вариант может не сработать. Ничего страшного – переходим ко второму способу увеличения быстродействия – разгона шиной.

 

 

 

    Этот способ  гораздо эффективнее первого,  т.к. вместе с процессором увеличивается  скорость работы ВСЕЙ системы  (видеокарты, памяти, винчестера и  т.д.), что не может не радовать. При этом, правда, увеличивается вероятность того, что какой-то компонент не заработает, но мы чуть ниже рассмотрим способы, как эту проблему избежать. Итак, возьмем теперь процессор Celeron 300A серии SL32A.

    Частота процессора  составляет 300 МГц, и получается  она, как 66 МГц шины, умноженные  на 4.5. Разгонять множителем этот  процессор – дело неблагодарное.

    Если у вас  материнская плата на ЕХ или  LX, то больше, чем 373 МГц из этого  зверя выжать не удастся. Связано  это с тем, что на данных  чипсетах отсутствует поддержка  100 МГц. Т.е. бывают платы на  этих чипсетах, которые теоретически  держат 100 МГц на шине, но реально  заставить компьютер работать, когда  частота шины PCI равна 50 МГц, невозможно.

 

 

    На чипсетах  ВХ и ZX (а также свежих i810, i810Е  и i820) при частоте шины 100 МГц  шина PCI получается как 100, деленые  на 3. Т.е. при 100 МГц имеем стандартные  33.3 МГц, которые любое устройство  воспримет, как родные. Открываем  корпус, переставляем перемычки  частоты шины на 100 МГц (или  на 83, если у вас LX или ЕХ), а  если у вас материнская плата  с софт-меню, что встречается все  чаще и чаще, то просто меняем  значение в одном из пунктов  BIOS. По идее, все должно работать. Но есть такой нюанс: гарантировать  стабильную работу процессора  на значительно повышенной частоте  (увеличение быстродействия в  полтора раза) вам никто не  может. Как проверить, нормально  ли работает разогнанный процессор

 

 

    Первым тестом  является первое же включение  компьютера. Если все проходит  нормально, и Windows или Linux загрузились, то шансы того, что все будет хорошо, достаточно велики. Если же при включении раздаются писки и треск, если экран остается черным, если во время загрузки система виснет, если… Короче, при любом непривычном поведении компьютера его надо выключить и снизить частоту процессора до чуть менее высокой. Или… об этом чуть позже.

 

 

    Итак, все загрузилось  и вроде бы даже работает. Очень  часто можно слышать от оптимистов: «Я вот свой Celeron 333 поставил на 600, и он у меня работает круглые сутки». Если процессор особенно не напрягать, поставить кулер на пасте, то под Windows он скорее всего будет работать без проблем. Но попробуйте поиграть на нем в игры часа полтора, как все посыплется, подобно карточному домику.

 

 

    Я советую использовать  следующий тест: берутся файлы  общим объемом 700 Мб, и пакуются  архиваторами Zip или RAR на максимальном уровне сжатия. На Celeron 464A это занимало около 35 минут. Если эти самые 35 минут процессор проработает стабильно (не забывайте, что при этом достигается непрерывный 99% уровень его загрузки), то потом с ним проблем не будет.

 

 

    А самый лучший  тест – это время. Если вы  поработаете за компьютером неделю  с теми приложениями, которые  вы используете обычно, и ничего  необычного с компьютером не  произойдет, то тогда можете пожать  себе руку. Все получилось.

 

 

    Главный компонент  хорошего разгона – это ОХЛАЖДЕНИЕ. При плохом кулере и маленьком  корпусе ничего хорошего ждать  и не приходится. Поэтому очень  советую купить хороший вентилятор, а радиатор намазать специальной  пастой.

 

 

    На материнских  платах изменение питания процессора  можно осуществлять из BIOS.

 

 

    Но! Помните, что  именно таким способом и можно  сжечь процессор «до основанья». Поэтому, прошу вас, не увеличивайте  напряжение больше, чем на 10% от  номинала.

 

 

 

 

 

Ускорение процессоров в  современное время.

 

 

 

    Итак, сегодня  разогнать процессор предельно  просто, для этого всего лишь  нужно увеличить частоту, на  которой он работает. Существует  множество программ, с помощью  которых можно разгонять прямо  из Windows, например ClockGen.

 

 

    [pic]

 

 

 

 

    Имеется несколько  различных версий утилиты, предназначенных  для разных материнских плат  и чипсетов. Кроме того, многие  производители материнских плат  предлагают собственные утилиты  для разгона, например EasyTune5 от  Gigabyte...