Микропроцессоры

      Умножение тактовой частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной  или три раза) с тех пор находит  широкое применение практически  во всех известных процессорах. Так, после DX2 фирма Intel выпустила серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4.

      До  недавнего времени математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой  специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.

      Математический  сопроцессор необходим при работе с векторной графикой (особенно трехмерной), электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с базами данных или обычными текстовыми редакторами  использование сопроцессора не дает ощутимых результатов. Он бесполезен и при работе с сетевыми операционными системами.

      Первым  математическим сопроцессором для  персональных компьютеров IBM был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips&ampTechnologies. Кроме того, фирмой Weitek выпускались сопроцессоры, программно не совместимые с продукцией Intel.

      Начиная с процессоров пятого поколения (за исключением быстро исчезнувших с рынка NexGen Nx586), сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора, и поэтому в настоящее время сопроцессоры общего назначения не выпускаются.

      Среди путей повышения вычислительной мощности системы наиболее простой заключается в замене базового микропроцессора. Для этой цели предназначены процессоры OverDrive компании Intel, использующие технологию процессоров DX2, DX4 (см. Семейство МП х88/х86), Pentium и Pentium II. Процессоры OverDrive могут различаться математическим сопроцессором (SX или DX), реализацией встроенной кэш-памяти (сквозная или обратная запись), коэффициентами умножения частоты, напряжением питания, возможностью управления энергосбережением. Помимо компании Intel процессорные модули аналогичного назначения выпускает ряд фирм (например, Kingston Technology).

      Обычно  гнездо для установки процессора (Socket) на материнских платах для 486, Pentium и Pentium Pro конструктивно выполнено  так, что позволяет удалять корпус микросхемы при помощи специального рычажка практически без усилий, отсюда и его название — ZIF (Zero Insertion Force). Для компьютеров, основанных на микропроцессоре i486SX, OverDrive-процессор может быть установлен либо в специальное гнездо OverDrive (возможно, ZIF), либо в гнездо, предназначенное для сопроцессора i487SX. Если оба эти гнезда отсутствуют, то для установки OverDrive надо использовать гнездо основного микропроцессора (предварительно удалив старый). Замена i486DX выполняется либо через гнездо OverDrive, либо через гнездо основного микропроцессора (см. Как установить процессор Pentium?). Системные платы на базе микропроцессоров i486DX2 могут иметь гнездо для процессоров OverDrive типа Pentium.

      В настоящее время существует несколько  типов гнезд OverDrive, отличающихся по количеству контактов и цвету ZIF. Для получения информации относительно способности компьютера поддерживать определенный процессор OverDrive следует обратиться к местному дилеру, изучить описание материнской платы компьютера или воспользоваться руководством «Intel OverDrive Processor Upgrade Guide», содержащим соответствующие данные по тысячам различных моделей.

      Одним из новейших процессоров семейства Intel OverDrive является Pentium II OverDrive, предназначенный  для замены Pentium Pro. Его можно устанавливать  в системы Socket 8, заменяя процессоры Pentium Pro с частотами 150, 166, 180 и 200 МГц. При этом частота работы Pentium II OverDrive составляет 300 (для 150 и 180) и 333 (для 166 и 200) МГц. В Pentium II OverDrive использовано ядро процессора Pentium II Xeon, кэш-память второго уровня работает на частоте процессора, благодаря чему производительность модернизируемых систем увеличивается более чем на 40%.

      Тем не менее, модернизация путем замены процессора в настоящее время  оказывается все менее и менее  эффективной. Во-первых, стоимость OverDrive, как правило, превышает совокупную стоимость нового процессора и материнской платы, а во-вторых, установка быстрого процессора на материнскую плату с устаревшей памятью и медленными контроллерами и напоминает установку дизельного двигателя на «Запорожец» — почти вся производительность мощного процессора будет расходоваться вхолостую во время ожидания отклика от более медленных компонентов.

      В 1993 году фирма Intel объявила о начале промышленных поставок процессора Pentium с тактовой частотой 66 и 60 МГц. Системы, построенные на базе Pentium, полностью совместимы с персональными компьютерами, использующими микропроцессоры i8088, i80286, i80386, i80486 (см. Семейство МП х88/х86). Новая микросхема содержала около 3,1 млн. транзисторов и имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шину данных.

      Архитектура Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря чему две команды  могут быть выполнены за один такт синхронизации. Pentium имеет также  два раздельных кэша по 8 Кбайт: один для команд, другой — для данных. Pentium является первым массовым процессором Intel с суперскалярной архитектурой и динамическим предсказанием переходов в исполняемых программах. При разработке Pentium была существенно повышена производительность модуля вычислений с плавающей запятой, добавлена аппаратная поддержка самотестирования, текущего контроля производительности и расширенной отладки. Благодаря встроенному в Pentium контроллеру прерываний многопроцессорных систем получили распространение двухпроцессорные серверы и рабочие станции на его основе.

      Pentium с тактовой частотой 66 МГц имеет  производительность около 112 MIPS. Так как методика определения  MIPS сильно зависит от особенностей  архитектуры процессора и не  всегда отражает реальную производительность, с 1992 года для оценки производительности процессоров стали применять интегральные тесты, разработанные некоммерческой ассоциацией SPEC — SPEC92, а затем SPEC95. SPEC95 состоит из двух наборов тестов: CINT95 — для измерения производительности при выполнении целочисленных операций и CFP95 — для измерения производительности при выполнении операций с плавающей точкой. Из входящих в SPEC95 параметров чаще всего применяют два: SPECint95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения восьми написанных на языке Си тестовых программ с интенсивным использованием целочисленной арифметики, откомпилированных с глубокой оптимизацией; SPECfp95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения десяти написанных на языке FORTRAN тестовых программ с интенсивным использованием операций с плавающей точкой, откомпилированных с глубокой оптимизацией.

      Тесты SPEC позволяют не только сравнивать между собой процессоры семейства x86, но процессоры других архитектур (Alpha, PowerPC, MIPS, Sparc, ARM, PA-RISC и др.). Результаты теста SPEC для процессора Pentium с тактовой частотой 200 МГц составляют 5,47 для SPECint95 и 3,68 для SPECfp95 (на материнской плате было установлено 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня). Показатель теста Norton SI32 под Windows 95 составляет 44,6.

      С течением времени рассчитанные на напряжение 5 В микросхемы Pentium с тактовой частотой 60/66 МГц были сняты с производства. Несколько лет выпускались версии Pentium второго поколения с внутренним умножением частоты в 1,5, 2, 2,5 и 3 раза на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60, 166/66 и 200/66 МГц и напряжением питания 3,3 В, построенные с использованием 0,6- и 0,35-микронных Би-КМОП процессов. В конце 1997 года был прекращен выпуск процессоров и этой серии, а фирма Intel полностью перешла на производство микропроцессора нового поколения Pentium Pro.

      В 1995 году фирма Intel объявила о начале коммерческих поставок микропроцессора нового поколения Pentium Pro. В его основе лежит комбинация технологий, известная как Dynamic Execution: многократное предсказание ветвлений (multiple branch prediction), анализ потоков данных (data flow analysis) и эмуляция выполнения инструкций (speculative execution). Глубина конвейера составляет 14 ступеней (против 5 у Pentium), благодаря чему на исполнение одной команды в среднем приходится на 33% меньше времени. В Pentium Pro впервые реализована архитектура DIB (Dual Independent Bus) — двойная независимая шина. Одна шина, работающая на частоте процессора, связывает процессор и встроенную кэш-память, другая, работающая на внешней тактовой частоте 60 или 66 МГц, — процессор и системную плату. В Pentium Pro впервые введена 128-pазpядная внешняя шина данных.

      В 387-контактном PGA-корпусе микросхемы (конструктив Socket 8) размещены два кристалла — собственно процессор и кэш-память второго уровня объемом 256, 512 или 1024 Кбайт, работающая на частоте процессора. На кристалле процессора, как обычно, расположен 16-Кбайтный (8+8) кэш. На сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовыми частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Pentium Pro поддерживает 2-х и 4-процессорные конфигурации, а также позволяет строить системы с числом процессоров более 4 с применением технологий кластеризации. Pentium Pro способен адресовать до 65 Гбайт оперативной памяти. Недостатком объединения в одном корпусе двух отдельных микросхем (собственно процессора и кэш-памяти второго уровня) является высокая стоимость производства, поскольку при наличии дефекта только в одной из них приходится отбраковывать весь процессор.

      Препятствием  к дальнейшему повышению тактовой частоты является высокая стоимость  изготовления микросхем кэш-памяти, способной работать на одной частоте  с процессором. Если микросхема Pentium Pro 150 выпускалась согласно технологическим нормам 0,6 мкм, то все остальные процессоры с более высокой тактовой частотой выпускались с использованием 0,35-микронных Би-КМОП процессов. Число транзисторов основного кристалла составляет примерно 5,5 млн., а кристалла кэш-памяти второго уровня соответственно 15,5, 31 или 62 млн. Процессор весит 90 г и рассеивает мощность до 44 Вт. Напряжение питания процессора составляет 3,3 В.

      Процессор оптимизирован для выполнения 32-разрядных  инструкций и демонстрирует максимальную производительность под 32-разрядными операционными системами (Windows NT, OS/2, UNIX). 16-разрядные инструкции вызывают частую перезагрузку конвейера, что приводит к меньшей производительности этого процессора в 16 и 16/32-разрядных ОС (MS-DOS, Windows 3.1/3.11, Windows 95). Производительность 200 МГц Pentium Pro с кэшем в 256/512 Кбайт под управлением 32-разрядной ОС UnixWare 2.0 составляет 8,20/8,58 для SPECint95 и 6,21/6,48 для SPECfp95. Показатели теста Norton SI32 под Windows 95 составляют 90 и 97,7 соответственно.

      Процессор Pentium Pro и наборы микросхем для него позволяют создавать многопроцессорные системы, благодаря чему основная область применения этого процессора — высокопроизводительные серверы. Pentium Pro с кэшем в 256 Кбайт снят с производства в 1997 году. Выпуск процессоров с кэшем в 512 и 1024 Кбайт прекращен летом 1998 года. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Использованные  сайты:

      http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/

      http://ru.wikipedia.org/wiki/

      http://www.ferra.ru/online/processors/s25410/

      http://www.compitech.ru/html.cgi/rubrikator/micros.htm

      http://www.compitech.ru/html.cgi/rubrikator/micros.htm

      http://www.alarmtrade.ru/about/dif_art_about/auto_cpu

      http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php

      http://www.citforum.ru/hardware/microcon/index.shtml

      http://www.ref.by/refs/67/15112/1.html

      http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/vved.htm

      http://yas.yuna.ru/?1879053312@0816905216

      http://www.sea.com.ua/prodsea/?gr=328

      http://naf-st.ru/articles/mpmc/