3.5. Risc-процессоры
Традиционное развитие архитектуры микропроцессоров по пути расширения и усложнения набора микрокоманд порождает ряд нежелательных эффектов: усложняется и замедляется процесс дешифрирования команд программы, усложняется работа УУ. Кроме того, усложнение архитектуры процессора делает более трудным размещение всех его устройств на одном кристалле микросхемы. С учётом перечисленных проблем, последние три десятилетия в противовес процессорам с традиционной архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computer) стали разрабатываться и успешно применяться процессоры с сокращённым набором команд, так называемые RISC- процессоры (Reduced Instruction Set Computer). RISC- архитектура позволяет достичь высокой производительности за счёт более быстрого, чем в CISC- процессорах, выполнения команд. Основные принципы, реализуемые в RISC- процессорах:
Одинаковая длина команд. Это облегчает их выборку из оперативной памяти, процессор не задерживается для чтения дополнительных машинных слов, образующих выполняемую команду.
Сокращённый набор микрокоманд- в RISC-процессорах предельно сокращено количество микрокоманд, оставлены главным образом простейшие, наиболее часто употребляемые команды, что позволяет упростить схему обработки информации и за этот счёт уменьшить размеры устройств микропроцессора, а освободившееся место отвести под регистры.
Большое количество регистров. В отличие от традиционных CISC-процессоров, в RISC-процессорах большая часть промежуточных результатов хранится в регистрах, а меньшая- в оперативной памяти. Этим сокращается потребное число обращений микропроцессора к оперативной памяти.
Сокращённый набор действий над операндами. Те RISC-команды, которые обрабатывают данные, никогда не совмещаются с операциями чтения и записи в оперативную память, как это бывает в командах CISC-процессоров. Это уменьшает длину команды и упрощает её обработку.
Упрощение микрокоманд и сокращение их количества в RISC-процессорах приводит к увеличению числа команд в самой программе, т.е. ЕХЕ-файл имеет больший размер. Но хотя RISC-программы длиннее эквивалентных им CISC-программ, выполняются они быстрее.
Первый RISC-компьютер был разработан в 1974 году сотрудником IBM Джоном Куком. Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры Intel Core и AMD Athlon являются комбинированными процессорами: они имеют RISC-ядро, дополненное обширной внешней микропрограммной оболочкой для поддержки CISC-программ, написанных для компьютеров семейства х86. Традиционной областью применения RISC-процессоров является рынок рабочих станций и сетевых серверов.
3.6.Современные микропроцессоры семейства х86
Поскольку развитие микропроцессорной техники протекает стремительно, наглядно подтверждая справедливость закона Мура, то рассуждать о современности той или иной модели процессора уместно лишь полгода после её анонсирования. С другой стороны, согласно статистике, в 90% случаев на компьютерах, приобретаемых не для игр, основными программами являются текстовый редактор Microsoft Word и подобные офисные приложения, функционирование которых в однозадачном режиме обеспечивает даже процессор Intel 486. Но не будем пускаться в крайности и дадим обзор тех процессоров, которые совместимы с системными платами и модулями памяти, преобладающими в настоящий момент на рынке. В этом обзоре будут встречаться термины, приблизительный смысл которых необходимо пояснить заранее.
Нормы технологического процесса. Этим параметром характеризуют достигнутую точность технологических операций, применяемых при изготовлении микросхемы. Точнее- это разрешающая способность фотолитографии, предполагающей облучение ультрафиолетом и последующую обработку многочисленных химически и физически разнородных слоёв, последовательно наносимых на кремниевую подложку. Фотолитография позволяет создать в каждом слое рисунок нужного очертания, чтобы сформировать мельчайшие конструктивные элементы создаваемых транзисторов и соединений между ними в соответствии с дизайном микросхемы. Числовая характеристика технологического процеccа - микрометры (микроны, мкм) либо нанометры (нм). Чем выше уровень производственных возможностей фотолитографического оборудования и тоньше линии, из которых формируется рисунок транзисторов и проводников на поверхности кристалла, тем миниатюрнее размеры транзисторов.
В настоящий момент микропроцессоры изготавливаются по нормам технологического процесса 0,045 мкм (45 нм), обеспечивающего транзисторные элементы исключительно малых размеров. Длина затвора таких транзисторов составляет 35 нм, а толщина изолирующего слоя затвора (оксид кремния SiO2 или диэлектрик high-k) не превышает 1.2 нм (фактически, это 5 атомных слоёв).
Уменьшение транзисторов и компактность размещения их на кремниевой подложке позволяет создавать более вместительные, сложные, многофункциональные и производительные микропроцессоры. Кроме того, уменьшение конструктивных элементов транзистора позволяет ему быстрее работать, появляется возможность повышать тактовые частоты работы микросхемы.
Рис. 3.3. Конструкция транзистора
Ядро процессора. Под процессорным ядром в контексте сравнения моделей можно понимать разновидность (подвид) процессора в модельном ряду. Модельный ряд микропроцессоров каждой компании-производителя обновляется порой несколько раз в год, и чтобы не обременять неискушённых покупателей обилием сложных технических подробностей, объясняющих отличие одной разновидности продукта от другой, под понятием "тип процессора" подразумевают целое семейство микросхем, объединённых торговой маркой, например: "микропроцессор Intel® Penryn®" или "микропроцессор AMD® Phenom®". В действительности же под каждым этим названием скрываются несколько, порой существенно друг от друга отличающихся, микропроцессоров. Чтобы отличать микросхемы в модельном ряду, дополнительно упоминают названия ядер процессоров, например: Core 2 Duo "Conroe", Core 2 Duo "Wolfdale", Core 2 Quad "Kentsfield", Core 2 Quad "Yorkfield".
Степпинг процессорного ядра. Степпингом или ревизией называется улучшенная версия процессорного ядра, в которой внесённые в архитектуру микросхемы изменения (редизайн ядра) имеют мелкомасштабный, непринципиальный характер, приводя к улучшению, исправлению, модифицированию отдельной характеристики процессора, не давая повода говорить о создании нового ядра. Например, у процессора AMD Sempron с ядром Palermo имеются степпинги "DH8-E3" и "DH8-E6", в которых набор микрокоманд процессора дополнен инструкциями SSE3 и предусмотрена поддержка 64-разрядных команд. Факт принадлежности процессора к тому или иному степпингу устанавливается изучением маркировки микросхемы или с помощью специальных тестирующих программ, например утилиты "CPU-Z".
Разъём процессора. Это гнездо (socket) на материнской плате, в которое устанавливается микропроцессор. Обычно в названии разъёма фигурирует число электрических контактов, выступающих из микросхемы микропроцессора. Часто разъёмы конструктивно не совпадают не только у продуктов разных производителей, но даже в модельном ряду процессоров одного производителя. Поэтому при приобретении продукта необходимо следить за соответствием разъёма материнской платы и предназначенного для неё процессора. Перечислим разъёмы, соответствующие производимым в настоящее время микропроцессорам семейства х86.
Socket 775
Современный разъём для процессоров компании Intel. Повышенное энергопотребление новых процессоров Intel Pentium 4 Prescott и необходимость качественного их охлаждения потребовали разработки в 2004 году нового разъёма с радикально переделанной системой установки процессора и крепления к нему кулера (системы охлаждения). Процессоры, предназначенные для разъёма Socket 775 упаковываются в корпус LGA775, конструктивно непохожий на традиционный вид микросхемы со множеством выступающих наружу тонких ножек- контактов. На корпусе LGA размещены только контактные площадки, а сами штырьковые контакты находятся на материнской плате. При установке в разъём, процессор равномерно прижимается к материнской плате с помощью скобы. Подобная конструкция надёжно фиксирует процессор, что позволяет снизить паразитные ёмкость и сопротивление разъема. В настоящее время разъём Socket 775 используется всеми процессорами Intel, включая новый Penryn.
Socket AM2
Современный тип процессорного разъёма, используемый компанией AMD. Предназначен для процессоров, имеющих интегрированный контроллер памяти DDR2-800.
Socket AM2+
Перспективный разъём для продукции компании AMD. Предназначен для процессоров Phenom, имеющих интегрированный контроллер памяти DDR2-1066 и поддерживающих шину Hyper-Transport 3.0.
Рейтинг производительности. В середине 90-х годов, выпуская на рынок процессор "К5", компания AMD характеризовала его не собственной тактовой частотой, а так называемым "коэффициентом Пентиума" (Pentium raiting, или PR). Это тактовая частота, на которой должен работать микропроцессор Pentium, чтобы сравниться по производительности с данным процессором "К5". Такова маркетинговая уловка, призванная привлечь покупателя, поскольку неискушённый пользователь при покупке обращает внимание прежде всего на тактовую частоту, игнорируя другие характеристики, диктующие скорость работы процессора, а процессоры К5, по мнению AMD, имели сходную с Pentium производительность при меньших собственных тактовых частотах. Рentium- рейтинг также использовала компания Cyrix для своих процессоров M1 и М2. Спустя несколько лет компания AMD вновь стала маркировать рейтингом производительности свои микропроцессоры – Athlon XP и Athlon 64. При этом процессоры маркируются как "Athlon XPxxxх+" или "Athlon 64 xxxx+", где хххх – частота в мегагерцах процессора Pentium 4, имеющего сопоставимую производительность. У бюджетных (более простых и дешёвых чем Athlon) процессоров AMD Sempron в маркировке также присутствует рейтинг "Sempron xxxx+", но в данном случае сравнение ведётся не с Pentium 4, а c его менее мощной разновидностью Celeron D.
Компания Intel также отказалась от маркировки процессоров тактовой частотой, заменив её сначала на трехзначные, а затем на пятизначные индексы (processor number). Processor number не является символом производительности, поскольку процессор с большим значением processor number не обязательно должен быть быстрее. Несмотря на то, что увеличение processor number в общем случае означает некое усовершенствование, этот индекс не может быть применен для прямого сравнения процессоров различных категорий. Современная пятисимвольная маркировка процессоров Intel состоит из буквенного индекса, который идентифицирует тепловыделение (TDP) процессора, и четырёхзначного цифрового индекса.
Буквенные индексы в современной 5-символьной маркировке процессоров Intel |
|
X |
TDP более 75 Вт |
E |
TDP от 50 Вт и выше |
T |
TDP в пределах 25 Вт – 49 Вт |
L |
TDP в пределах 15 Вт – 24 Вт |
U |
TDP порядка 14 Вт и менее |
Четырёхзначный цифровой индекс предполагает следующее: чем большее число представлено в маркировке процессора, тем большей производительностью и энергопотреблением микропроцессор характеризуется. Первая цифра индекса означает принадлежность чипа к определённому семейству продуктов, вторая цифра – соответствующий рейтинг чипов внутри семейства. Соответственно, чем больше цифра, тем производительнее чип.
Системная шина (FSB, Frontal Side Bus) – шина процессора. Помимо тактовой частоты ядра (core clock), в характеристиках микропроцессора непременно указывается частота системной шины процессора, связывающей его с оперативной памятью и прочими компонентами компьютера. Чем выше частота FSB, тем меньше простаивает процессор в ожидании данных и команд, поступающих извне. Прирост общей производительности компьютера вследствие ускорения шины на 100-200 МГц часто бывает выше, чем аналогичный подъем частоты самого процессора. Понятие "процессорная шина" или FSB неприменимо к AMD Athlon 64 и его разновидностям. На этих микропроцессорах присутствует отдельная шина памяти, а связь с чипсетом осуществляется по скоростной шине Hyper Transport.