Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦИЯ №5 - КЛАССИФИКАЦИЯ МП (новые – задание на семинар!!!)
5.1 История развития процессоров
5.2 Характеристики МП
5.3 Контрольные вопросы
5.1 История развития процессоров с 1971 года до наших дней
Интересен тот факт, что первый процессор был выпущен на 10 лет раньше первого компьютера IBM PC. Компания Intel создала свой первый процессор в 1971 году, а компания IBM свой первый ПК — в 1981 году. Но даже теперь, спустя более четверти века, мы продолжаем использовать системы, в той или иной мере сходные по архитектуре с первым ПК. Процессоры, установленные в наших компьютерах сегодня, большей частью имеют обратную совместимость с процессором 8088, который компания IBM выбрала для своего первого персонального компьютера в 1981 году.
15 ноября 2001 года микропроцессор отпраздновал свое 30-летие. За эти годы его быстродействие увеличилось более чем в 18500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года; он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Процессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10-микронной технологии. Это означает, что все линии, дорожки и транзисторы располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бит за такт, а максимальный адресуемый объем памяти составлял 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном итоге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. Например, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA!
В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.
Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.
Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был несовместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разрабатывать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор команд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8500 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.
Компания Intel не остановилась на достигнутом, и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. Несмотря на то что он обогнал процессор Z-80 на несколько месяцев, ему так и не удалось достичь популярности последнего. Он использовался в основном в качестве управляющей микросхемы различных компьютеризованных устройств.
В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор- 6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. Второе поколение компьютеров Mac использовало процессор PowerPC, являющийся преемником 68000. Сегодня компьютеры Mac снова перешли на архитектуру PC и используют с ними одни процессоры, микросхемы системной логики и прочие компоненты.
В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Core 2 и AMD Athlon 64 X2. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным — внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль для быстрого перевода программ системы CP/M (8080) на рельсы PC.
Несмотря на высокую эффективность процессора 8086 его цена была все же слишком высока по меркам того времени и, что гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая микросхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессора, в 1979 году Intel выпустила процессор 8088 — упрощенную версию 8086. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но в отличие от предыдущей версии использовал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный" процессор 8088, а не 8086.
Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Процессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большинством процессоров, выпущенных в то время.
В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не мешало вводить различные новшества и дополнительные возможности. Одним из основных изменений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, относящихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представлена в 1985 году, однако потребовалось еще 10 лет, чтобы на рынке появились такие операционные системы, как Windows 95 (частично 32-разрядные) и Windows NT (требующие использования исключительно 32-разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32-разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32-разрядных вычислений потребовалось 16 лет. Для компьютерной индустрии это довольно длительный срок.
Теперь наблюдается очередной "скачок" в развитии архитектуры ПК — компании Intel и AMD представили 64-разрядные расширения 32-разрядной архитектуры Intel IA-64 (Intel Architecture, 64-bit — 64-разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2. Однако данная архитектура была абсолютно несовместима с существовавшей 32-разрядной. Архитектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA-64.
К сожалению, IA-64 не являлась расширением архитектуры IA-32, а была совершенно новой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (собственно, для этого IA-64 и разрабатывалась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требовал обратной совместимости. Хотя архитектура IA-64 и поддерживает эмуляцию IA-32, при этом обеспечивается очень низкая производительность.
Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64-разрядные расширения для архитектуры IA-32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64-разрядных расширений, который назвала EM64T (IA-32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложилась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК, а не наоборот.
Для того чтобы 64-разрядные вычисления стали реальностью, необходимы 64-разрядные операционные системы и драйверы. В апреле 2005 года компания Microsoft начала распространять пробную версию Windows XP Professional x64 Edition, поддерживающую дополнительные инструкции AMD64 и EM64T. Основные производители компьютеров уже поставляют готовые системы с предустановленной Windows XP Professional x64 и с 64-разрядной системой Windows Vista; они также разработали 64-разрядные драйверы для достаточно современных моделей устройств. Выпускаются и 64-разрядные версии Linux, благодаря чему каких-либо серьезных препятствий для перехода к 64-разрядным вычислениям нет.
Последним достижением можно считать выпуск компаниями Intel и AMD двух- и четы-рехъядерных процессоров. Они содержат два или четыре полноценных ядра на одной подложке; в результате один процессор теоретически может выполнять работу двух или четырех процессоров. Хотя многоядерные процессоры не обеспечивают значительного увеличения быстродействия в играх (которые в основном предполагают выполнение данных в один поток), они просто незаменимы в многозадачной среде. Если вы когда-нибудь пытались одновременно выполнять проверку компьютера на наличие вирусов, работать с электронной почтой, а также запускать какие-то другие приложения, то наверняка знаете, что такая нагрузка может "поставить на колени" даже самый быстрый одноядерный процессор. Поскольку двухъядерные процессоры сейчас выпускаются обеими компаниями, Intel и AMD, шансы на то, что вам удастся выполнить работу гораздо быстрее благодаря многозадачности, значительно возрастают. Современные двухъядерные процессоры также поддерживают 64-разрядные расширения AMD64 или EM64T, что позволяет воспользоваться преимуществами как двухъядерности, так и 64-разрядных вычислений.
Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 тыс. транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессор AMD Athlon 64 FX содержит больше 105 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 670 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 169 млн. транзисторов, преимущественно благодаря наличию кэш-памяти второго уровня L2 объемом 2 Мбайт. Двухъядерные процессоры, содержащие два ядра и кэш-память на одной подложке, характеризуются еще большим количеством транзисторов. Процессор Intel Pentium D содержит 230 млн. транзисторов, а AMD Athlon 64 X2 — более 233 млн. Последние процессоры Core 2 Duo и Core 2 Quad содержат 291 и 582 млн. транзисторов соответственно; при этом в последний интегрирована кэшпамять второго уровня объемом 8 Мбайт. Многоядерная архитектура и постоянно растущий объем кэш-памяти второго уровня приводят к постоянному росту количества транзисторов. Скоро эта отметка перевалит за один миллиард. Все это является практическим подтверждением закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество содержащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5-2 года.
ПРИМЕЧАНИЕ В сфере выпуска микропроцессоров с фирмой Intel постоянно конкурирует фирма AMD. Микропроцессоры фирмы AMD выпуска 2003- 2004 годов (Athlon ХР, Athlon 64) мало в чем уступают процессорам Pentium 4, а в некоторых режимах работы даже превосходят последние по быстродействию. Но, как и прежде, МП AMD сильнее греются (их штатная температура — 55-80 °С, в то время, как у МП Pentium 30-60 °С), поэтому для них необходим мощный вентилятор и надежная система защиты от катастрофического перегрева. Все МП Pentium такой системой снабжены: у них имеется датчик, который при превышении температуры 120-130 °С мгновенно выключает МП, спасая его от «сгорания». У МП Pentium есть еще более совершенная система — Thermal Monitor, принудительно замедляющая работу микропроцессора при превышении допустимой температуры
5.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ
1. Процессор 386SL содержит интегрированный контроллер кэш-памяти, однако кэш-память расположена за пределами процессора.
2. Затем компания Intel выпустила версии SL Enhanced процессоров SX, DX и DX2. Эти процессоры, поддерживающие управление питанием, выпускаются в версиях с напряжением питания 5 и 3,3 В.
3. Кэш-память L2 работает на частоте ядра, но расположена в отдельной микросхеме.
4. Кэш-память L2 объемом 128 Кбайт (общий объем — 256 Кбайт, но 128 Кбайт отключено); используется ядро Pentium IIIE.
5. Кэш-память L2 объемом 256 Кбайт (общий объем — 512 Кбайт, но 256 Кбайт отключено); используется ядро Pentium IIIB.
6. Кэш-память L2 объемом 128 Кбайт (общий объем — 256 Кбайт, но 128 Кбайт отключено); используется ядро Pentium 4.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
□ CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд (Intel, AMD, Cyrix) - используют большинство современных ПК типа IBM PC;
□ RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд(Apple, IBM, DEC HP,) - содержат только набор простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП все простые команды имеют одинаковый размер и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится четыре такта). Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности. ;
□ VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом(Intel, HP ) VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и потребление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).;
□ MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.
Первое поколение процессоров: P1 (086)
Первое поколение процессоров — это процессоры Intel, которые использовались в первых ПК. Компания IBM как разработчик архитектуры PC, выбрав процессоры производства Intel, предопределила основные стандарты нескольких поколений процессоров.
Процессоры 8086 и 8088
В июне 1978 года компания Intel совершила революцию, представив свой новый процессор 8086. Это был один из первых 16-разрядных микропроцессоров на рынке; в то время все остальные процессоры были 8-разрядными. Процессор 8086 имел 16-разрядные внутренние регистры и мог выполнять программное обеспечение нового типа, использующее 16-разрядные команды. Он также имел 16-разрядную внешнюю шину данных и поэтому мог передавать в память одновременно 16 бит.
Разрядность шины адреса составляла 20 бит, и процессор 8086 мог адресовать память емкостью 1 Мбайт (220). В то время это казалось чудом, так как большинство других микросхем имели 8-разрядные внутренние регистры, 8-разрядную внешнюю шину данных и 16-разрядную шину адреса и могли адресовать не более 64 Кбайт оперативной памяти (216).
В большинстве ПК того времени использовались 8-разрядные процессоры, которые работали под управлением 8-разрядной операционной системы CP/M (Control Program for Microprocessors — управляющая программа для микропроцессоров) и такого же программного обеспечения. Плата и интегральные микросхемы, как правило, были также 8-разрядными. Тогда производство полностью 16-разрядной системной платы с памятью было настолько дорогостоящим, что такой компьютер вряд ли кто мог позволить себе купить.
Стоимость процессора 8086 была довольно высокой — для него требовалась 16-разрядная шина данных, а не более дешевая 8-разрядная. Доступные в то время системы были 8-разрядными, и потому процессоры 8086 продавались плохо. В Intel поняли, что пользователи не хотят (или не могут) столько платить за дополнительную эффективность 16-разрядного процессора, и через какое-то время была представлена своего рода "усеченная" версия процессора 8086, названная 8088. В ней, по существу, были удалены 8 из 16 разрядов на шине данных, и теперь процессор 8088 мог рассматриваться как 8-разрядная микросхема в отношении ввода и вывода данных. Однако, поскольку в нем были полностью сохранены 16-разрядные внутренние регистры и 20-разрядная шина адреса, процессор 8088 выполнял 16-разрядное программное обеспечение и мог адресовать оперативную память емкостью 1 Мбайт.
Исходя из этого, IBM выбрала 8-разрядные микросхемы 8088 для своего первого IBM PC. Через несколько лет ее критиковали именно за это, хотя сейчас понятно, что это было очень мудрое решение. В то время IBM даже скрывала физические детали проекта; просто отмечалось, что ее новый PC имел быстродействующий 16-разрядный микропроцессор. Это утверждение было справедливым, поскольку процессор 8088 выполнял те же 16-разрядные программы, что и 8086, только немного медленнее. Фактически для всех программистов процессор 8088 являлся 16-разрядной микросхемой — на самом деле тогда не было никакого способа, с помощью которого программа могла бы отличить процессор 8088 от 8086. Благодаря этому IBM могла поставлять PC, поддерживающий 16-разрядное программное обеспечение и использующий недорогие 8-разрядные аппаратные средства. Даже в начале производства цена IBM PC была ниже, чем цена самого популярного ПК того времени — Apple II. Компьютер IBM PC вместе с оперативной памятью объемом 16 Кбайт стоил 1265 долларов, в то время как Apple II аналогичной конфигурации — 1355 долларов.
В первом IBM PC устанавливался процессор 8088. Сам процессор был представлен еще в июне 1979 года, а компьютер IBM PC с процессором 8088 появился на рынке лишь в августе 1981 года. В те годы от выхода нового процессора до появления компьютеров с ним могло пройти довольно длительное время. Сегодня это кажется невероятным, поскольку компьютеры с новыми процессорами зачастую выпускаются в тот же день, что и сами процессоры.
В первом IBM PC использовался процессор 8088 с тактовой частотой 4,77 МГц, а на выполнение команды в процессорах 8088 и 8086 в среднем уходило 12 тактов.
Иногда возникает вопрос, почему объем основной памяти в компьютере ограничен 640 Кбайт, хотя процессор 8088 может адресовать основную память емкостью до 1 Мбайт. Это объясняется тем, что IBM с самого начала зарезервировала 384 Кбайт в верхней части адресного пространства для плат адаптеров и системной BIOS. Оставшиеся 640 Кбайт используются DOS и программами-приложениями.
Процессоры 80186 и 80188
После выпуска процессоров 8088 и 8086 Intel начала разработку более производительного процессора с размещением на кристалле некоторых компонентов поддержки, ранее выпускавшихся в виде отдельных микросхем.
Процессоры 80186 и 80188 похожи на своих прародителей. Каждый из них является улучшенной версией своего предшественника. Процессор 80186 (как и 8086) полностью 16-разрядный, а 80188 (как и 8088) — компромиссный вариант с внешней 8-разрядной и внутренней 16-разрядной шинами. Различие между этими процессорами заключается в том, что в один корпус, помимо собственно процессоров, встроено еще 15-20 дополнительных компонентов, а это позволило резко сократить количество микросхем в компьютере. Микросхемы 80186 и 80188 использовались в высокоинтеллектуальных периферийных адаптерах, например в сетевых.
Сопроцессор 8087
Процессор 8086 появился в 1976 году. Позже для него был разработан сопроцессор 8087, который иногда называют числовым процессором, процессором для обработки числовых данных, процессором NDP (Numeric Data Processor) или просто математическим сопроцессором. Он предназначался для выполнения сложных математических операций с более высокой скоростью и точностью, чем это мог сделать обычный процессор. Наиболее полно его преимущества проявляются при обработке больших массивов числовых данных в программах наподобие электронных таблиц.
Второе поколение процессоров: P2 (286)
Процессоры для ПК второго поколения характеризуются более широкими возможностями и повышенным быстродействием. К данному поколению относятся процессоры, поддерживающие передачу 16 бит за один такт.
Процессор 286
Для процессора 80286 (или просто 286) проблем с совместимостью, характерных для 80186 и 80188, не существует. Он появился в 1981 году, и на его основе был создан компьютер IBM AT. Затем он был установлен в первых компьютерах PS/2 моделей 50 и 60 (более поздние модели PS/2 строились на базе процессоров 386 и 486). Несколькими компаниями был освоен выпуск аналогов (так называемых клонов IBM), многие из которых являлись компьютерами класса AT.
Выбор процессора 286 в качестве основы для компьютера AT объяснялся его совместимостью с процессором 8088, т.е. все разработанные для IBM PC и XT программы подходили и для AT. Процессор 286 имеет более высокое быстродействие, чем его предшественники, что и объясняет широкое распространение этих компьютеров в деловом мире. Производительность первого компьютера AT с тактовой частотой 6 МГц в пять раз превышала производительность IBM PC (4,77 МГц). Кристалл процессора 286 показан на рис. 3.36.
Системы на базе процессоров 286 оказались намного быстрее своих предшественниц по нескольким причинам. Основная из них заключается в том, что процессоры 286 намного эффективнее выполняют инструкции. Если процессорам 8086 и 8088 на выполнение одной инструкции требовалось 12 тактов, то 286-м — всего 4,5. Кроме того, процессор 286 оперирует блоками данных по 16 бит, что в два раза превышает возможности процессора 8088.
Процессор 286 поддерживает два режима работы — реальный и защищенный. Эти режимы настолько различаются, что в каждом из них процессор может вести себя совершенно по-разному. В реальном режиме процессор 286 работает как 8086 и полностью совместим на уровне объектных кодов с процессорами 8086 и 8088. (Процессор, совместимый на уровне объектных кодов, может запускать программы, написанные для другого процессора, а также должным образом выполнять системные инструкции.)
В защищенном режиме процессор 286 представляет собой совершенно новую модель. Если выполняемая программа написана с расчетом на его новые возможности, то ей доступна виртуальная память до 1 Гбайт, хотя процессор может адресовать только 16 Мбайт физической памяти. Существенный недостаток процессора 286 заключается в том, что он не может переключаться из защищенного режима в реальный без предварительного аппаратного сброса, т.е. горячей перезагрузки компьютера. Переключение из реального режима в защищенный происходит без сброса. Поэтому основным преимуществом процессора 386 стала именно возможность программного переключения из реального режима в защищенный и наоборот. (Режимы работы процессора описывались ранее.)
До появления оболочки Windows 3.0, в которой предусмотрен так называемый стандартный режим, совместимый с микропроцессором 286, было очень мало программ, использующих все его возможности. Но к тому моменту более популярным стал процессор 386. Однако надо отдать должное создателям процессора 286, предпринявшим первую попытку сконструировать многозадачный процессор, который способен выполнять сразу несколько программ.
Сопроцессор 80287
Внутренняя архитектура сопроцессора 80287 аналогична архитектуре 8087. Работают они одинаково, но отличаются разводкой выводов.
В большинстве компьютеров рабочая частота системной платы делится внутри процессора на 2, а 80287 делит ее на 3. Таким образом, сопроцессор 80287 работает на частоте, равной 1/3 частоты системной платы или 2/3 тактовой частоты 80286. Из-за асинхронной работы двух микросхем взаимодействие между ними не столь эффективно, как между 8088 и 8087.
Третье поколение процессоров: P3 (386)
Третье поколение процессоров — это, возможно, наиболее значимый шаг вперед в истории процессоров с момента появления ПК. Они знаменовали переход от 16-разрядных вычислений к 32-разрядным. Это поколение процессоров настолько опередило время, что потребовалось еще 10 лет, прежде чем 32-разрядные операционные системы получили широкое распространение (когда сами процессоры 386 остались только в памяти старожилов).
Процессор 386
Процессор 80386 (или просто 386) стал настоящей сенсацией в компьютерном мире благодаря исключительно высокой производительности по сравнению с предшественниками.
Создатели этого полностью 32-разрядного процессора стремились добиться максимальной производительности и возможности работать с многозадачными операционными системами. Компания Intel выпустила процессор 386 в 1985 году, а системы на его основе, например Compaq Deskpro 386 и некоторые другие, появились в конце 1986 — начале 1987 года; несколько позже IBM выпустила компьютер класса PS/2 модели 80.
В реальном режиме процессор 386 может выполнять команды процессоров 8086 и 8088, затрачивая на них меньше тактов. Среднее количество тактов на команду, как и у 286-го, равно 4,5. Таким образом, "чистая" производительность компьютеров с процессорами 386 и 286 при равных тактовых частотах одинакова. Многие производители компьютеров на базе процессора 286 утверждали, что быстродействие их систем с тактовыми частотами 16 и 20 МГц и аналогичных компьютеров на основе процессора 386 одинаково. И они были правы! Повышение реальной производительности процессора 386 было достигнуто за счет введения дополнительных программных возможностей (режимов) и значительного усовершенствования диспетчера памяти MMU (Memory Management Unit).
Процессор 386 может программно переключаться в защищенный режим и обратно без общей перезагрузки компьютера. Кроме того, в нем предусмотрен виртуальный реальный режим (virtual real mode), в котором может выполняться сразу несколько защищенных одна от другой программ в реальных режимах.
Защищенный режим процессора 386 полностью совместим с защищенным режимом 286-го. Дополнительные возможности адресации памяти в защищенном режиме появились благодаря разработке нового диспетчера памяти MMU, в котором реализованы более эффективная страничная организация памяти и программные переключения. Поскольку новый диспетчер памяти создавался на базе аналогичного узла процессора 286, система команд процессора 386 полностью совместима с 286-м.
Нововведение, появившееся в процессоре 386, — виртуальный режим, в котором имитируется работа процессора 8086. При этом несколько экземпляров DOS или других операционных систем могут работать одновременно, используя свои защищенные области памяти. Сбой или "зависание" программы в одной области не влияет на остальные части системы — испорченный экземпляр можно перезагрузить.
Существует довольно много разновидностей процессоров 386, отличающихся производительностью, потребляемой мощностью и т.п. В следующих разделах некоторые из них рассматриваются подробнее.
Процессор 386DX
Микросхема 386DX была первым процессором этого семейства. Она представляет собой полностью 32-разрядный процессор, у которого внутренние регистры, а также внутренняя и внешняя шины данных 32-разрядные. На кристалле процессора размещается 275 тыс. транзисторов, т.е. она относится к класу сверхбольших интегральных схем. Процессор выпускается в 132-контактном корпусе и потребляет ток около 400 мА (значительно меньше, чем 8086). Столь низкое потребление мощности связано с тем, что процессор выполнен по технологии КМОП (CMOS), допускающей крайне низкий уровень энергопотребления.
Тактовая частота процессоров 386, выпускаемых Intel, колебалась от 16 до 33 МГц, в микросхемах других производителей она достигала 40 МГц.
Процессор 386DX способен адресовать память объемом до 4 Гбайт. Встроенный диспетчер памяти позволяет программам работать так, как будто в их распоряжении есть практически неограниченная виртуальная память объемом 64 Тбайт (1 Тбайт = 1024 Гбайт = 1 099 511 627 776 байт).
Процессор 386SX
Этот процессор предназначен для компьютеров с возможностями процессора 386, но которые стоили бы не больше системы 286. Как и в процессоре 286, для взаимодействия с остальными компонентами компьютера используется 16-разрядная шина данных. Однако внутренняя архитектура процессора 386SX аналогична архитектуре 386DX, т.е. он может одновременно обрабатывать 32 бит данных. Процессор 386SX оснащен 24-разрядной шиной адреса (в отличие от 32-разрядной в других модификациях процессора 386) и может адресовать только 16 Мбайт (а не 4 Гбайт) памяти, т.е. столько же, сколько 286-й. Процессоры 386 выпускаются с различными тактовыми частотами в пределах от 16 до 33 МГц.
Появление 386SX ознаменовало конец "карьеры" процессора 286, прежде всего благодаря более совершенному диспетчеру памяти и наличию виртуального режима. Под управлением операционной системы Windows или OS/2 процессор 386SX может одновременно выполнять несколько программ DOS. Кроме того, в отличие от 286-го и предшествующих, он может выполнять все программы, ориентированные на процессоры 386. Например, Windows 3.1 работает с 386SX почти так же хорошо, как с 386DX.
Процессор 386SL
386SL — еще одна версия процессоров 386. Процессор 386SL с малым потреблением мощности предназначен для портативных компьютеров, в которых это обстоятельство имеет ре- шающее значение; при этом он обладает всеми возможностями процессора 386SX. Пониженное энергопотребление процессора имеет важное значение при питании компьютера от аккумуляторов; также в нем предусмотрено и несколько "спящих" режимов, в которых расход энергии предельно уменьшается.
Структура процессора несколько усложнена за счет схем SMI (System Management Interrupt — прерывание управления системой), обеспечивающих управление электропитанием. В процессоре 386SL также предусмотрена поддержка расширенной памяти стандарта LIM (Lotus Intel Microsoft) и встроен кэш-контроллер для управления внешней кэш-памятью объемом от 16 до 64 Кбайт.
В результате этих нововведений количество транзисторов в микросхеме возросло до 855 тыс., т.е. их стало больше, чем в 386DX. Тактовая частота центрального процессора 386SL равна 25 МГц.
Компания Intel разработала вспомогательную микросхему ввода-вывода 82360SL для совместного использования с центральным процессором 386SL в портативных компьютерах. В ней на одном кристалле объединены такие стандартные устройства, как последовательные и параллельные порты, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, а также схема управления электропитанием для процессора 386SL. Эта микросхема использовалась вместе с процессором в портативных компьютерах с ограниченными ресурсами.
Сопроцессор 80387
Несмотря на то что микросхема 80387 работает асинхронно, компьютеры с процессором 386 спроектированы так, что сопроцессор работает на частоте процессора. В отличие от 80287 (который аналогичен 8087 во всем, кроме разводки выводов), сопроцессор 80387 с повышенной производительностью разрабатывался специально для работы с процессором 386.
Все микросхемы 387 производятся по технологии CMOS и отличаются малым потреблением мощности. Существует две разновидности сопроцессора: 387DX (работает с процессором 386DX) и 387SX (работает с процессорами 386SX, SL и SLC).
Сначала Intel выпускала несколько модификаций 387DX с разными тактовыми частотами. При разработке сопроцессора с частотой 33 МГц пришлось уменьшить длину сигнальных проводников (при этом, естественно, потребовались новые фотошаблоны). В конечном итоге производительность микросхемы увеличилась примерно на 20%.
Примечание
Компания Intel несколько запоздала с разработкой сопроцессора 387: в первых компьютерах с процессором 386 еще устанавливалось гнездо для сопроцессора 287. Разумеется, производительность такого комплекта оставляла желать лучшего.
Четвертое поколение процессоров: P4 (486)
Третье поколение процессоров стало серьезным шагом вперед в развитии архитектуры PC. В то же время процессоры четвертого поколения в большей степени характеризуется улучшениями, чем кардинальными изменениями по сравнению с процессорами предыдущего поколения. Выпуская процессоры четвертого поколения, компании Intel, AMD и некоторые другие удвоили быстродействие своих решений.
Процессоры 486
В погоне за повышением быстродействия процессор Intel 80486 (чаще называемый просто 486) стал очередным шагом вперед. Вычислительная мощность этого процессора вызвала бурный рост в индустрии программного обеспечения. Десятки миллионов копий Windows, а также миллионы копий OS/2 были проданы именно потому, что процессор 486 позволил создать графический интерфейс пользователя для операционных систем, что значительно упростило работу на компьютере.
Достичь вдвое большей производительности процессора 486 по сравнению с 386-м (при одной и той же тактовой частоте) удалось благодаря целому ряду нововведений.
■ Сокращение времени выполнения команд. В среднем одна команда в процессоре 486 выполняется всего за 2 такта, а не за 4,5, как в 386-м. Введение версий процессора с множителями частоты DX2 и DX4 позволили уменьшить общее время выполнения инструкций до двух инструкций в расчете на такт кварцевого генератора.
■ Встроенная кэш-память первого уровня. Обеспечивает коэффициент попадания 9095% (коэффициент, отображающий, как часто операции считывания выполняются без ожидания). Использование дополнительного внешнего кэша может еще больше увеличить этот коэффициент.
■ Укороченные циклы памяти (burst mode). Стандартный 32-разрядный (4-байтовый) обмен с памятью происходит за 2 такта; после него можно выполнить до трех следующих обменов (т.е. до 12 байт), затрачивая на каждый из них по одному такту вместо двух. В результате 16 последовательных байтов данных передаются за пять тактов вместо восьми. Выигрыш может оказаться даже еще большим при 8- или 16-разрядных обменах.
■ Встроенный (синхронный) сопроцессор (в некоторых моделях). Сопроцессор работает на той же тактовой частоте, что и основной процессор, поэтому на выполнение математических операций затрачивается меньше циклов, чем в предыдущих сопроцессорах. Производительность встроенного сопроцессора в среднем в 2-3 раза выше по сравнению с производительностью внешнего 80387.
Быстродействие процессоров 486 в два раза выше, чем 386-го, т.е. производительность процессора 486SX с частотой 20 МГц такая же, как и у процессора 386DX на 40 МГц. Процессор 486 с более низкой тактовой частотой не только обладает таким же (или даже более высоким) быстродействием, но и имеет еще одно преимущество: его можно легко заменить на DX2 или DX4, производительность которых еще выше. Теперь нетрудно понять, почему процессор 486 быстро вытеснил на рынке 386-й.
Было выпущено множество модификаций процессора 486 с тактовыми частотами от 16 до 133 МГц. Процессоры 486 различаются не только быстродействием, но и разводкой выводов. Их разновидности DX, DX2 и SX выпускаются практически в одинаковых 168-контактных корпусах, а микросхемы OverDrive — либо в обычном 168-контактном, либо в модифицированном 169-контактном варианте (его иногда называют корпусом 487SХ). Большинство системных плат 486 с разъемом ZIF поддерживали все процессоры 486, за исключением DX4, для которого требуется напряжение питания 3,3 вместо 5 В, в отличие от большинства процессоров того времени.
Процессор с заданной максимальной тактовой частотой будет работать и на меньших частотах. Например, 486DX4 с тактовой частотой 100 МГц будет работать на частоте 75 МГц в составе системной платы с рабочей частотой 25 МГц. Отметим, что в процессорах DX2/OverDrive внутренние операции выполняются с частотой, в два раза превышающей рабочую частоту системной платы, а в процессоре DX4 этот коэффициент может быть равен 2, 2,5 или 3.
Процессор DX4 100 имеет еще одну интересную особенность: он способен работать в режиме удвоения тактовой частоты с системной платой, имеющей частоту 50 МГц, что существенно повышает производительность шины памяти при частоте процессора 100 МГц (как будто вы работаете с процессором в режиме утроения тактовой частоты 33/100 МГц).
Однако, если вы хотите, чтобы платы VL-Bus корректно выполняли операции, уменьшите частоту до 33 или 40 МГц. Гнезда VL-Bus в большинстве системных плат VL-Bus могут работать в буферном режиме. Кроме того, эти системные платы способны добавлять состояния ожидания и даже избирательно изменять частоту исключительно для разъемов VL-Bus, чтобы обеспечить их совместимость. Вряд ли они будут корректно работать при частоте 50 МГц. Конструкция системной платы подробно описана в технической документации.
Процессоры 486DX
Первый процессор 486DX был выпущен Intel 10 апреля 1989 года, а первые компьютеры на его основе — в 1990 году. Тактовая частота первого процессора составляла 25 МГц, напряжение питания — 5 В. Позднее появились микросхемы на 33 и 50 МГц. Сначала они выпускались только в 168-контактных корпусах PGA, но существуют модификации как с напряжением питания 5 В в 196-контактных корпусах PQFP (Plastic Quad Flat Pack), так и 3,3 В в 208-контактных корпусах SQFP (Small Quad Flat Pack). Два последних варианта выпускаются в улучшенной версии SL Enhanced и предназначены для портативных компьютеров, в которых важно низкое энергопотребление.
Процессоры 486 отличаются от своих предшественников следующими характеристиками:
■ высокая степень интеграции (в них есть встроенные сопроцессор, кэш-контроллер и кэш-память);
■ возможность модернизации компьютеров на их основе (для большинства разновидностей 486-го существуют варианты OverDrive с удвоенным быстродействием).
Процессор 486DX производится по технологии CMOS, его внутренние регистры, внешняя шина данных и шина адреса — 32-разрядные, как и у процессора 386. На кристалле размером с ноготь размещается 1,2 млн. транзисторов (в четыре раза больше, чем в процессоре 386). По этому параметру можно косвенно судить о возможностях микросхемы.
В стандартный процессор 486DX входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), сопроцессор, устройство управления памятью и встроенный кэш-контроллер с памятью емкостью 8 Кбайт. Благодаря встроенной кэш-памяти и эффективному АЛУ среднестатистическая команда в процессорах семейства 486 выполняется всего за 2 такта (в 286- и 386-м на это затрачивается 4,5 такта, а в процессорах 8086/8088 — 12 тактов). При одной и той же тактовой частоте процессор 486 вдвое производительнее 386-го.
Система команд процессора 486 полностью совместима предыдущими процессорами Intel, например 386-м, но в ней предусмотрены некоторые дополнения, связанные в основном с управлением встроенным кэшем.
Как и 386-й, процессор 486 может адресовать память объемом 4 Гбайт и работать с виртуальной памятью до 64 Тбайт. Он может функционировать во всех трех предусмотренных для процессора 386 режимах: реальном, защищенном и виртуальном реальном.
■ В реальном режиме выполняются программы, написанные для процессора 8086.
■ В защищенном режиме реализуются более эффективная страничная организация памяти и программные переключения.
■ В виртуальном реальном режиме возможно создание нескольких копий DOS или другой операционной системы, для каждой из которых создается виртуальный центральный процессор 8086. Таким образом, под управлением Windows или OS/2 процессор может одновременно выполнять 16- и 32-разрядные программы в защищенных от взаимного влияния областях памяти. При сбое или "зависании" программы в одной области остальные части системы не пострадают, а "зависшую" операционную систему можно перезагрузить отдельно.
В процессоре 486DX имеется встроенный сопроцессор MCP (Math CoProcessor) или FPU (Floating-Point Unit). В отличие от предыдущих сопроцессоров, выпускавшихся в виде отдельных микросхем, его не нужно дополнительно устанавливать на системную плату, если нужно ускорить выполнение сложных математических вычислений. Сопроцессор, входящий в состав процессора 486DX, полностью совместим с сопроцессором 387, встроенным в 386-й, но его производительность приблизительно в два раза выше, поскольку он работает синхронно с основным процессором и по сравнению с 387-м затрачивает на выполнение большинства команд вдвое меньше тактов.
Процессор 486SL
Этот процессор некоторое время выпускался в виде отдельной микросхемы, а затем был снят с производства. Усовершенствования и нововведения варианта SL были учтены практически во всех процессорах 486 (SX, DX и DX2), выпускавшихся с маркировкой SL Enhanced. В процессорах SL Enhanced содержатся дополнительные узлы, обеспечивающие снижение потребляемой мощности.
Микросхемы SL Enhanced первоначально предназначались для использования в портативных компьютерах с питанием от аккумуляторов, но они применялись также и в настольных системах. Предусмотрены такие приемы снижения энергопотребления, как работа в дежурном режиме и переключение тактовой частоты. Выпускаются также разновидности этих микросхем с напряжением питания 3,3 В.
Компания Intel разработала систему снижения энергопотребления, названную SMM (System Management Mode). Она функционирует независимо от остальных узлов процессора и выполняемых им программ. Система построена на основе таймеров, регистров и других логических схем, которые могут регулировать потребление энергии некоторыми устройствами, входящими в состав портативного компьютера, не мешая при этом работе других устройств. Программа SMM записывается в специально отведенную область памяти (System Management Memory), недоступную для операционной системы и прикладных программ. Для обслуживания событий, связанных с управлением электропитанием, предусмотрено прерывание SMI (System Management Interrupt). Оно не зависит от остальных прерываний и имеет наивысший приоритет.
С помощью SMM обеспечивается гибкое и безопасное управление электропитанием. Если, например, прикладная программа пытается обратиться к периферийному устройству, которое находится в режиме пониженного потребления энергии, то генерируется прерывание SMI. После этого устройство включается на полную мощность, и программа обращается к нему еще раз.
В процессорах SL можно использовать режимы приостановки (suspend) и возобновления (resume). В портативных компьютерах режим приостановки применяется для их временного выключения и включения. На переход из одного режима в другой обычно требуется не больше одной секунды, причем после переключения из режима приостановки восстанавливается то же состояние компьютера, в котором он находился раньше. При этом не требуется перезагружать компьютер и операционную систему, запускать приложение и снова вводить данные. Достаточно просто нажать соответствующую кнопку — и компьютер готов к работе.
В режиме приостановки процессоры SL практически не потребляют энергии. Поэтому компьютер может находиться в таком режиме в течение нескольких недель, а затем его моментально можно привести в рабочее состояние. Пока компьютер находится в режиме приостановки, "замороженные" программы и данные могут храниться в памяти, хотя все же лучше сохранить их на диске.
Процессор 486SX
Этот процессор начали выпускать в апреле 1991 года как более дешевый вариант процессора 486DX без сопроцессора.
Как уже отмечалось, процессор 386SX — это "урезанный" 16-разрядный вариант полноценного 32-разрядного процессора 386DX. У него другая разводка выводов, и он не взаимозаменяем с более производительным процессором 386DX. Ситуация с процессором 486SX совершенно иная. Это полноценный 32-разрядный процессор, выводы которого в основном соответствуют имеющимся в процессоре 486DX (изменены функции и нумерация лишь нескольких выводов). Их геометрическое расположение одинаково, и указанные микросхемы могут быть установлены в одно и то же гнездо.
Процессор 486SX появился скорее по маркетинговым, нежели по технологическим причинам. Первые партии этих процессоров были обычными микросхемами DX с дефектными сопроцессорами. Вместо того чтобы отправить их на переработку, производители вставляли кристаллы в корпус, отключив при этом сопроцессор, и продавали под названием 486SX. Подобные манипуляции продолжались недолго; для микросхем SX начали использовать маску, отличную от маски DX. (Маска — это фотографический отпечаток процессора, который используется при травлении дорожек в кремниевой пластине.) При этом количество транзисторов было уменьшено с 1,2 до 1,185 млн.
Процессор 486SX выпускался с частотами 16, 20, 25 и 33 МГц, а процессор 486 SX/2 — с частотами 50 и 66 МГц. Процессор 486SX обычно выпускался в 168-контактном корпусе, а модели SL — в другом исполнении.
Несмотря на то что Intel всегда предоставляла подробную техническую информацию, не существовало никаких инструкций по добавлению сопроцессора в систему на базе процессора 486SX; кроме того, такой сопроцессор даже не выпускался. Вместо этого Intel просто предлагала приобрести новый процессор 486 со встроенным сопроцессором и отключить процессор SX, уже установленный на системной плате.
487SX
Так называемый сопроцессор 487SX фактически является процессором 486DX с тактовой частотой 25 МГц, к которому добавлен еще один вывод и изменены функции некоторых других выводов. При установке в дополнительное гнездо компьютера этот процессор отключает имеющийся 486SX с помощью дополнительного сигнала, подаваемого на один из выводов. Дополнительный 169-й вывод используется не для передачи сигналов, а для правильной ориентации микропроцессора в гнезде.
Микросхема 487SX выполняет все функции процессора 486SX и содержит сопроцессор. Процессор 487SX был промежуточным этапом подготовки компанией Intel настоящего сюрприза — процессора OverDrive. Микросхемы DX2/OverDrive с удвоенной тактовой частотой устанавливаются в то же 169-контактное гнездо и имеют такую же разводку выводов, что и процессор 487SX. Поэтому в любой компьютер, рассчитанный на использование 487SX, можно установить и микросхему DX2/OverDrive.
Единственное различие между процессорами 487SX и 486DX заключается в том, что 487SX имеет 169 выводов. При установке 487SX в гнездо специальный сигнал с одного из ранее не использовавшихся выводов (интересно, что не с дополнительного 169-го вывода!) отключает существующий в компьютере процессор 486SX, и все операции выполняет процессор 487SX со своим сопроцессором. Собственно, этим и объясняется высокая стоимость 487SX. Старый процессор 486SX остается на плате и при этом вообще не функционирует!
Изначально компания Intel предостерегала пользователей от извлечения исходного процессора и замены его на 487SX (или даже DX и DX2/OverDrive). Вместо этого производителям системных плат рекомендовалось оснащать свои продукты дополнительным гнездом, так как извлечение исходного процессора из стандартного гнезда связано с определенным риском (об этом мы подробно поговорим в следующем разделе). Впоследствии Intel рекомендовала (причем настоятельно) использовать одно гнездо ZIF для облегчения обновления процессора.
Процессоры 486DX2/OverDrive и 586DX4
В марте 1992 года Intel приступила к выпуску процессоров DX2 с удвоенной тактовой частотой. В мае они поступили в розничную продажу под названием OverDrive. Сначала процессоры OverDrive были 169-контактными, т.е. их можно было установить только в те компьютеры с процессором 486SX, в которых имелось дополнительное гнездо на 169 контактов.
В сентябре 1992 года появились модели OverDrive со 168-ю контактами, предназначенные для модернизации компьютеров с процессорами 486DX. Эти процессоры можно устанавливать в любые компьютеры, построенные на базе процессоров 486 (SX или DX), и даже в те, которые не рассчитаны на использование 169-контактных микросхем. Новый процессор просто устанавливается на плату — и компьютер начинает работать вдвое быстрее!
Внутренняя тактовая частота процессоров DX2/OverDrive вдвое выше частоты системной платы. Например, при тактовой частоте системной платы 25 МГц процессор работает на частоте 50 МГц, при 33 МГц — на частоте 66 МГц. Удвоение внутренней частоты не сказывается на работе других компонентов компьютера — все они функционируют так же, как с обычным процессором 486. Поэтому при переходе на процессор с удвоенной частотой заменять другие компоненты компьютера, например модули памяти, не нужно. Одним словом, вы существенно повысите производительность системы, заменив всего одну микросхему, а не установив более быстродействующую и дорогую системную плату. Микросхемы DX2/OverDrive выпускались со следующими тактовыми частотами:
■ 40 МГц для компьютеров с частотами 16 и 20 МГц;
■ 50 МГц для компьютеров с частотой 25 МГц;
■ 66 МГц для компьютеров с частотой 33 МГц.
Замечу, что это максимальные значения тактовых частот. Микросхему на 66 МГц без проблем можно использовать вместо микросхемы с максимальной частотой 40 или 50 МГц, хотя при этом процессор будет работать несколько медленнее. Реальная тактовая частота процессора определяется только частотой системной платы и равна ее удвоенному значению. Например, установленный вместо 486SX в системе с тактовой частотой 16 МГц процессор DX2/OverDrive на 40 МГц будет работать на частоте 32 МГц. Выпускать процессоры DX2/OverDrive с тактовой частотой 100 МГц (для компьютеров с частотой системной платы 50 МГц) сначала не предполагалось, но затем все же началось производство процессора DX4, который можно перевести в режим удвоенной частоты и установить на системной плате с частотой 50 МГц (более подробно это описано в следующих разделах).
Единственным устройством внутри микросхемы DX2, работающим на основной (не удвоенной) частоте, является интерфейс шины, через который осуществляется связь процессора с внешним миром. В нем происходит "согласование" различных внутренней и внешней тактовых частот, и удвоение частоты остается "невидимым" для остальных устройств. Для них DX2 выглядит, как обычный процессор 486DX, выполняющий операции в два раза быстрее.
Процессоры DX2 производятся по технологии, позволяющей получить минимальный размер структуры на кристалле 0,8 мкм. Эта технология впервые была разработана для процессоров 486DX. В микросхеме содержится 1,2 млн. транзисторов в трех слоях "монтажа". Встроенная кэш-память на 8 Кбайт и сопроцессор работают на удвоенной частоте. Для обеспечения совместимости связь с внешними устройствами осуществляется на основной частоте (рабочей частоте системной платы).
С появлением DX2 разработчикам представилась возможность не только модернизировать существующие компьютеры, но и проектировать относительно дешевые системные платы для быстродействующих компьютеров, поскольку теперь не требовалось, чтобы сами системные платы могли работать на такой же высокой частоте, что и процессор. Компьютер с процессором 486DX2 на 50 МГц оказался гораздо дешевле полной системы 486DX-50, так как системная плата в компьютере с процессором 486DX-50 работает на тактовой частоте 50 МГц, а в компьютере с процессором 486DX2 только тактовая частота процессора равна 50 МГц, а частота системной платы вдвое меньше — всего 25 МГц. При этом процессоры в обоих компьютерах имеют одинаковое быстродействие.
В принципе, полная система 486DX-50 работает несколько быстрее, чем компьютер с системной платой на 25 МГц и удвоенной частотой процессора. Но это различие очень невелико, в первую очередь благодаря высокой степени интеграции процессора и использованию кэш-памяти.
Обращение процессора к системной памяти за данными или программными инструкциями синхронизируется тактовым сигналом с рабочей частотой системной платы, например, 25 МГц. Поскольку коэффициент попадания во встроенный кэш в процессоре 486DX2 равен 90-95%, на обращение к памяти в среднем затрачивается всего 5-10% времени считывания. Таким образом, компьютер с процессором DX2 очень близок по производительности к компьютеру с системной платой, работающей на тактовой частоте 50 МГц, но стоимость его при этом намного ниже. Например, относительно дешевый компьютер с рабочей частотой системной платы 33 МГц и процессором 486DX2 на 66 МГц работает быстрее дорогого компьютера с процессором 486DX-50, особенно при установке в системе DX2 кэш-памяти второго уровня.
На системных платах многих компьютеров с процессором 486 устанавливается вторичная (внешняя) кэш-память емкостью от 16 до 512 Кбайт (и более). Она обеспечивает более быстрый обмен с внешней памятью. При установке в компьютер процессора DX2 внешняя кэшпамять играет даже более важную роль в повышении его производительности. Она позволяет уменьшить количество тактов ожидания при записи данных в оперативную память, а также при считывании, если данные не были найдены во встроенном кэше. Разница в производительности между различными компьютерами с процессорами DX2 чаще всего обусловлена разной емкостью кэш-памяти на системной плате. В компьютерах без внешнего кэша производительность, конечно, выше благодаря удвоению тактовой частоты процессора, но операции, связанные с интенсивным обменом с памятью, выполняются медленнее по сравнению с системами, в которых есть внешний кэш.
Xотя стандарт DX4 не предназначался для розничной продажи, его все же можно приобрести в комплекте с преобразователем напряжения питания (3,3 В), который понадобится при установке процессора в гнездо с напряжением 5 В (если в системной плате не предусмотрено напряжение 3,3 В). На преобразователе также имеются перемычки, позволяющие задать кратность (множитель) тактовой частоты 2х, 2,5х или 3х. Если установить процессор DX4 в компьютер 486DX-50 и выбрать множитель 2х, то процессор будет работать с внутренней тактовой частотой 100 МГц! Несмотря на то что в таких системах было невозможно получить полную отдачу от некоторых адаптеров VL-Bus, эти процессоры позволяли создать максимально производительную систему класса 486.
Компания Intel также выпускала специальный процессор DX4 OverDrive, в который входят встроенный адаптер напряжения и теплоотвод. По сути, DX4 OverDrive идентичен стандартному процессору DX4 с напряжением 3,3 В, но работает при напряжении 5 В благодаря встроенному адаптеру напряжения питания. Кроме того, процессор DX4 OverDrive будет работать только в режиме утроенной тактовой частоты, а не в режимах 2х и 2,5х, приемлемых для стандартного DX4.
Pentium OverDrive для компьютеров с процессорами SX2 и DX2
В 1995 году вышел процессор Pentium OverDrive. Планировался выпуск и микросхем для процессоров 486DX4, однако незначительное присутствие на рынке процессоров SX2/DX2 привело к тому, что они так никогда и не увидели свет. Главное, что нужно запомнить, — процессоры 486 Pentium OverDrive предназначались в основном для систем SX2 и DX2, но могли работать и в качестве обновлений систем SX и DX, имеющих гнезда Socket 2 или Socket 3. Компания Intel поместила информацию о совместимости этого процессора по адресу: http://support.intel.com/support/processors/overdrive/
Процессор Pentium OverDrive предназначен для компьютеров, в которых имеется гнездо типа Socket 2. Он будет работать и в компьютерах с гнездом типа Socket 3, но в этом случае необ ходимо убедиться, что оно настроено на напряжение питания 5, а не 3,3 В. Эти процессоры, работающие на повышенной тактовой частоте (за счет внутреннего умножения), кроме 32-разрядного ядра Pentium (с суперскаляром), обладают и стандартной для Pentium встроенной двунаправленной кэш-памятью первого уровня емкостью 32 Кбайт. Если системная плата позволяет этой кэш-памяти выполнять свои функции, вы в полной мере ощутите повышенную производительность. К сожалению, большинство системных плат, особенно устаревших (с гнездом типа Socket 2), позволяют встраивать только кэш-память со сквозной записью.
Испытания процессоров OverDrive свидетельствуют об их небольшом преимуществе перед DX4-100 и некоторых недостатках по сравнению с DX4-120 и Pentium 160, 66 или 75. Из-за высокой стоимости процессор Pentium OverDrive оказался нежизнеспособным вариантом модернизации для большинства компьютеров с процессором 486. Значительно дешевле использовать DX4-100 или 120 либо просто заменить всю системную плату новой платой Pentium с настоящим процессором Pentium.
AMD 486 (5x86)
Процессоры AMD, совместимые с 486-м, устанавливаются в стандартные системные платы для процессора 486, являются самыми быстрыми в классе 486 и называются Am5x86(TM)-P75. Название может ввести в заблуждение, так как\ некоторые пользователи думают, что 5x86 — это процессор пятого поколения, подобный Pentium. Фактически это процессор 486, но с большим множителем тактовой частоты (4x), т.е. он работает на тактовой частоте, в четыре раза превышающей частоту системной платы для процессора 486 (33 МГц).
Процессор 5x85 имеет универсальную двунаправленную кэш-память емкостью 16 Кбайт, работающую на тактовой частоте 133 МГц. Производительность этого процессора приблизительно такая же, как у Pentium 75, поэтому обозначение P-75 применяется в числовой части маркировки. Это идеальный, экономный выбор для замены процессора 486 в случае, когда заменить системную плату трудно или невозможно.
Не все системные платы поддерживают процессор 5x86. Лучше всего проверить по документации к системной плате, поддерживает ли она эту микросхему. (Ищите ключевые слова "Am5X86", "AMD-X5", "clock-quadrupled", "133MHz" или что-нибудь подобное.) Можно также заглянуть на сайт компании AMD.
В установке процессора 5x86 на системную плату для процессора 486 также существует ряд особенностей.
■ Рабочее напряжение для 5x86 — 3,45 (±0,15) В. Не во всех системных платах предусмотрена поддержка этого напряжения, но она существует в большинстве плат с гнездом типа Socket 3. Если на системной плате для процессора 486 установлено гнездо типа Socket 1 или Socket 2, то процессор 5x86 нельзя установить непосредственно. Процессор, рассчитанный на напряжение 3,45 В, не будет функционировать в 5-вольтном гнезде и может быть поврежден. Чтобы преобразовать напряжение 5 Вв 3,45 В, можно использовать адаптеры, выпускаемые такими компаниями, как Kingston, Evergreen и AMP. Причем Kingston и Evergreen упаковывают процессор 5x86 и преобразователь напряжения в корпус, который легко устанавливается в гнездо. Эти версии идеально подходят для старых системных плат к процессору 486, не имеющих гнезда типа Socket 3.
■ Лучше купить новую системную плату, а не использовать переходник, потому что старая BIOS может не поддерживать необходимую тактовую частоту. Как правило, при использовании старых плат приходится обновлять BIOS.
■ Большинство системных плат с гнездом типа Socket 3 имеют перемычки, позволяющие установить необходимое напряжение. Некоторые платы не имеют переходных устройств, но содержат устройства автоматической установки напряжения. Эти устройства опрашивают контакт VOLDET (контакт S4) на микропроцессоре при включении системы.
■ Контакт VOLDET предназначен для заземления микропроцессора. Если нет никаких переходных устройств для установки необходимого напряжения, можно проверить систем ную плату самостоятельно: выключите компьютер, снимите микропроцессор, соедините контакт S4 с контактом Vss на гнезде ZIF, включите компьютер и измерьте с помощью вольтметра напряжение на любом контакте Vcc. Напряжение должно быть 3,45 (±0,15) В. (Расположение контактов разъемов описывалось в предыдущем разделе.)
■ Тактовая частота системной платы, в которую устанавливается процессор 5x86, должна составлять 33 МГц. Процессор 5x86 работает на тактовой частоте 133 МГц. Следовательно, переходные устройства должны быть установлены в режим clock-quadrupled (учетверенная частота), или 4X Clock. Чтобы правильно установить переходные устройства на системной плате, контакт CLKMUL (контакт R17) на процессоре необходимо заземлить (соединить с Vss). Если не удалось установить четырехкратную частоту, не отчаивайтесь — процессор должен работать и при стандартной для DX2 двукратной частоте.
■ Некоторые системные платы имеют переходные устройства, конфигурирующие внутреннюю кэш-память в режим c двунаправленной (WB) или сквозной (WT) записью. На контакт WB/WT (контакт B13) микропроцессора подается высокий уровень сигнала (Vcc) для режима WB или нулевой (Vss) — для режима WT. Самая высокая производительность системы достигается в режиме WB; однако, если при выполнении прикладных программ возникнут какие-то проблемы или перестанет правильно работать дисковод для гибких дисков (из-за конфликтов DMA), понадобится установить кэш в режим WT.
■ Процессор 5x86 выделяет достаточно много тепла, поэтому без теплоотвода не обойтись, причем активного. Помимо процессоров 5x86, компания AMD предлагала в рамках улучшенной линейки 486 процессоры с частотами 80, 100 и 120 МГц — модели A80486DX2-80SV8B (40 МГц х 2), A80486DX4-100SV8B (33 МГц х 3) и A80486DX4-120SV8B (40 МГц х 3).
ПОКОЛЕНИЯ 5, 6, 7, 8- распечатать с Мюллера!!!
Контрольные вопросы