Процессоры семейства Intel: обзор основных возможностей

Основная функция процессора – это обработка данных по заданной программе. Первый микропроцессор разработан в 1970 г. фирмой Intel и назывался Intel 4004. Данный процессор был 4– разрядным, содержал 2300 транзисторов и производился по 10–микронной технологии. Этот процессор мог адресоваться к 640 байтам памяти, рабочая частота процессора составляла всего 108 кГц. За эти годы тактовая частота процессоров Intel увеличилась в десятки тысяч раз (с 0,108 МГц до 4,5 ГГц).

Во всех PC–совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой Intel, так и AMD, Cyrix и другими компаниями. В ранних моделях ПК IBM/PC в качестве центрального вычислительного узла использовался 16–разрядный процессор i8086. С тех пор его имя стало нарицательным. Теперь о программах, использующих только возможности процессора i8086, говорят, что они работают в режиме 86–го процессора. Современные процессоры обеспечивают значительно более широкие возможности: 32–битную адресацию почти 4 млрд. байт памяти, многозадачный режим, богатый набор дополнительных эффективных команд и способов адресации. В то же время современные процессоры могут работать в режиме процессора i8086, что означает обратную совместимость новых моделей процессоров со старыми моделями.

Рассмотрим некоторые характеристики процессоров.

Тактовая частота. Операции, выполняемые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Во времена процессоров i8086 и i80286 их производительность (вместе с указанием типа) достаточно четко характеризовалась тактовой частотой. В последующих моделях процессоров стали появляться довольно значительные изменения архитектуры, в результате которых тактовая частота перестала быть почти единственным фактором, определяющим производительность. Для быстрого выполнения приложений, применяющих технику трехмерной визуализации, таких как игры, значение имеет не только тактовая частота, но и способность процессора более производительно выполнять операции с плавающей точкой, чтобы поддерживать насыщенные текстуры и расширенные эффекты освещения. Существуют даже наборы тестовых программ, предназначенные для оценки производительности процессоров и эмулирующие работу стандартного пользователя с мультимедиа–приложениями.

На практике пользователю более важна не тактовая частота процессора, а производительность компьютера, его способность быстро решать задачи из конкретной предметной области. Без преувеличения можно сказать, что производительность ПК определяется не столько производительностью процессора, сколько объемом оперативной памяти, временем обращения к ней и к устройствам внешней памяти, а также согласованностью работы всех компонентов системы.

В процессор входят три важных устройства: шина данных, шина адреса памяти, внутренние регистры. Основной характеристикой названных устройств является разрядность.

Шина данных. Представляет набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. 32–разрядный процессор, например i80486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Современные процессоры типа Pentium имеют 64–разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium (Pentium 4, Athlon, Itanium) могут передавать в системную память и получать из нее одновременно 64 бит данных.

Шина адреса. По шине адреса передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Увеличение ширины шины адреса позволяет увеличить количество адресуемых ячеек памяти. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. Например, в процессорах 8086 и 8088 использовалась 20–разрядная шина адреса, поэтому они могли адресовать 220 (1048576) байт, или 1 Мбайт, памяти. Процессоры класса P6/ P7 имеют 36–разрядную шину адреса и потому могут адресоваться 65 536 к Мбайтам памяти.

Шины данных и адреса независимы, но чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине адреса.

Разрядность регистров процессора. Регистр — это внутренняя ячейка памяти процессора. Разрядность регистра определяет количество разрядов в операндах программы: данных и адресов, а также характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых процессором.

В современных процессорах Pentium шина данных 64–разрядная, а регистры 32–разрядные. В этом процессоре для обработки информации служат два 32–разрядных параллельных конвейера. Такой Pentium во многом подобен двум 32–разрядным процессорам, объединенным в одном корпусе, а 64–разрядная шина данных позволяет за один прием считать большее число команд программы из оперативной памяти.

Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной. Современные процессоры имеют от шести внутренних конвейеров для выполняющихся команд. Хотя некоторые из указанных внутренних конвейеров специализированы (предназначены для выполнения специальных функций), эти процессоры могут все же выполнять три команды за один цикл. В последних версиях процессоров используются 10–ступенчатые параллельные конвейеры, которые позволяют выполнять до 20 операций в течение одного такта.