4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб [6, с.38].
5. Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
1. Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
2. Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).
3. Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера [3, с.80].
Трудно поверить, что все эти устройства размешаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже приходит медь) [6, с.38].
Характеристики микропроцессоров.
К основным характеристикам микропроцессора можно отнести такие показатели как тактовую частоту, разрядность процессора, размер кэш-памяти, тип ядра, форм-фактор и т.д. Рассмотрим вышесказанное более подробно.
Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду). Пик спроса сегодня приходится на процессоры с частотой от 3 до 4 ГГц. Кстати, согласно так называемому «закону Мура», названного в честь одного из изобретателей микропроцессора и нынешнего руководителя корпорации Intel, каждые полтора года частота микропроцессоров увеличивается не менее чем в два раза [6, с.39].
Разрядность процессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора — ширине ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может «заглотнуть» вдвое больше данных в единицу времени — в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение. Сегодня подавляющее большинство «домашних» процессоров — 32-разрядные (32-битные). И это, к сожалению, явный анахронизм: большинство из входящих в состав компьютера устройств, в том числе и шина, обладают разрядностью 64 и 128 бит [6, с.42]!
Размер кэш-памяти. В эту встроенную память (не путать с памятью оперативной — та поставляется в виде отдельных модулей) процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не «ходить» каждый раз «за семь верст киселя хлебать» — к более медленной оперативной памяти и жесткому диску. Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая — кэш-память первого уровня (16—32 кб у процессоров Intel и до 128 кб — в последних моделях AMD).
Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня — и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью — мощный Extreme Edition (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 Prescott и у Athlon 64 размер кэша второго уровня составляет 1 Мб [6, с.42].
Тип ядра. Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра» — и частенько получается так, что на одном и том же прилавке мирно уживаются процессоры от одного производителя, с одинаковой актовой частотой, принадлежащие к одному поколению, но с разными ядрами. Например, среди процессоров Pentium 4 есть старые модели, произведенные по 0,13 микронной технологии (Northwood) и новая модификация Prescott(0,09 микрон). В настоящее время большинство процессоров производится по 0,09-микронной технологии — а это значит, что размер самых маленьких их элементов в 500 раз меньше толщины человеческого волоса!
Насколько же еще можно уменьшить размер транзисторов? Оптимисты (а в их числе не кто иной, как знаменитый Гордон Мур, автор «закона Мура» и один из изобретателей процессора) считают, что технологический предел лежит где-то в районе 0,03 микрона. Тот же Мур предсказывает, что достигнут этот предел удет не раньше 2010 г., — а это значит, что впереди у нас еще целая пятилетка [6, с.40-41].
Форм-фактор. Часто смена типа ядра и архитектуры процессора влечет за собой изменения в его внешности — форм-факторе, т. е. типе корпуса, в который упакован процессор. Например, новые процессоры Pentium 4 Prescott выпускаются в форм-факторе LGA775 (Socket T), а старые модели рассчитаны на разъем Socket 478. А это значит, что старую модификацию Pentium 4 вы уже не сможете установить на новую системную плату — и наоборот [6, с.41].
Частота шины. Шина — это своеобразная информационная магистраль, связывающая воедино все устройства, подключенные к системной плате — процессор, перативную память, видеоплату... Понятно, что у этой «магистрали», как и у процессора, есть своя пропускная способность — ее-то и характеризует уже знакомая нам частота. Чем выше этот показатель — тем лучше.
К примеру, еще в начале 2004 г. большинство процессоров Intel работало на частоте шины 800 МГц, однако к летнему сезону корпорация поднатужилась и взяла фантастическую по прежним временам планку в 1066 МГц! При этом в продаже до сих пор имеются процессоры обоих типов, равно как и предназначенные для них системные платы.
Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота — это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину. Например, частота процессора 2,4 ГГц — это частота системной шины в 200 МГц, умноженная на коэффициент 12 [6, с.41].
Классификация микропроцессоров.
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. По области применения определилось три направления развития микропроцессоров:
· микроконтроллеры
· универсальные микропроцессоры
· сигнальные микропроцессоры
По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров:
· Гарвардская архитектура
· Архитектура Фон-Неймана
По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:
· Аккумуляторные микропроцессоры
· Микропроцессоры с регистрами общего назначения
В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.
Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.
В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения [8].
В каждом поколении имеются еще модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в славном семействе Pentium 4 числятся три «брата» — старший, Pentium 4 Extreme Edition, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средний братец, собственно Pentium 4, трудится на производительных настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ Celeron D верно служит простому люду на домашних компьютерах.
«Народные» процессоры Celeron отличаются от «больших» Pentium 4 частотой системной шины (533 МГц против 800) и объемом кэш-памяти (256 кб против 1 Мб). Поэтому, хотя тактовая частота у различных модификаций может быть одинакова (например, 3,2 ГГц), реальная производительность Celeron будет значительно ниже — от нескольких десятков процентов до не- скольких раз(!). Особенно сильно падение производительности заметно при работе с мультимедийными приложениями и трехмерной графикой, а вот на большинстве офисных программ замена Pentium 4 на Celeron практически не сказывается [6, с.40].
Семейство. Когда на процессорном рынке подвизался лишь один крупный игрок — корпорация Intel, — вопрос о выборе платформы, как вы сами понимаете, не стоял. Однако такая райская жизнь для королевы процессоростроения продолжалась недолго: уже через несколько лет на горизонте замаячили конкуренты. Первоначально компании-«сателлиты» (в первую очередь AMD и Cyrix) лишь подбирали крохи со стола «королевы», штампуя «клоны» ее не самых ходовых моделей. Но время шло, компании мужали, набирались опыта и нахальства... И к началу 90-х гг. конкурентная борьба между ними разгорелась не на жизнь, а на смерть. Некоторые компании пали смертью храбрых, так и не дождавшись от фортуны билета в счастливое завтра. Но один из конкурентов Intel — компания AMD, не просто выжила и укрепилась, но и начала активно перетягивать одеяло на себя. Если в 1999 г. доля AMD на процессорном рынке не превышала 20 %, то сегодня ее процессорами оснащено уже почти 40 % компьютеров!