Основные сведения о процессорах

4. Центральные микропроцессоры - классификация и диагностика

“Мозгом” персонального компьютера является микропроцессор (МП), или центральный процессор также для краткости называют ЦП, или CPU (Central Processing Unit — центральное процессорное устройство). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера.

4.1. Основные сведения о процессорах

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые из этих характеристик, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие. следующем разделе приведена таблица, в которой представлены параметры большинства процессе когда-либо устанавливавшихся в ПК.

4.1.1. Параметры процессоров

4.1.1.1. Шина данных

Одной из самых общих характеристик процессора является разрядность его шины данных и шины адреса. Шина — это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представьте себе пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если вы подсоедините к этим проводам генератор напряжения в 220в, а вдоль линии расставите розетки, то получится шина. Независимо от того, в какую розетку, вставите вилку, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае — 220в переменного тока.

Любую линию передачи, к которой подключено не менее одной розетки, можно назвать шиной, обычном компьютере есть несколько шин, а в каждом процессоре — две основные шины для передач данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных в виде набора соединений или выводов для передачи или приема данных. Чем больше данных одновременно поступает на шину тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает.

Рекомендуемые материалы

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передач единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высоко уровня (около 5в), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0в). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессоре 286 для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому его шина данных считается 16 ^ти разрядной. У 32 ^х разрядного процессора, например 486, таких соединений вдвое больше, поэтому единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16 ^ти разрядный процессор.

Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней машинами. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в любой момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в направлении. Таким образом, 8 ^ми разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично 32 ^х разрядная шина может передавать одновременно 4 байт информации. Автомагистраль характеризуется количеством полос движения, а процессор — разрядностью его шины данных. Если в руководстве или техническом описании говорится о 16 ^ти или 32 ^х разрядном компьютере, то обычно имеется в виду разрядность шины данных процессора. По ней можно приблизительно оценить производительность процессора, а значит, и всего компьютера.

4.1.1.2. Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. В большинстве современных процессоров (от 386 до Pentium) внутренние регистры являются 32 ^х разрядными.

В некоторых процессорах внутренняя шина данных (разрядность внутренних регистров) отличается от внешней. Например, разрядность внутренней шины в процессорах 8088 и 386SX вдвое больше разрядности внешней шины. Такие “половинчатые” процессоры обычно являются более дешевыми вариантами исходных ИС. Например, в процессоре 386SX внутренние операции — 32 ^х разрядные, а связь с внешним регистром осуществляется через 16 ^ти разрядную внешнюю шину. Это позволяет разработчикам проектировать относительно дешевые системные платы с 16 ^ти разрядной шиной данных, сохраняя при этом совместимость с 32 ^х разрядным процессором 386.

Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания. Например, в процессорах 386DX и 386SX внутренние регистры — 32 ^х разрядные, но процессору 386SX для их загрузки необходимо выполнить два цикла считывания, а процессору 386DX достаточно одного. Аналогично передаются данные от регистров к системной шине.

В процессорах Pentium шина данных — 64 ^х разрядная, а регистры — 32 ^х разрядные. Такое построение, на первый взгляд, кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации есть две 32 ^х разрядные параллельные секции. Pentium, во многом похож на два 32 ^х разрядных процессора, объединенных в одном корпусе, а 64 ^х - разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры.

4.1.1.3. Шина адреса

Шина адреса, представляет собой набор проводников, по которым передается адресная информация для выбора ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, который является одной цифрой в адресе. Чем больше проводников (разрядов) участвует в формировании адреса, тем больше количество адресуемых ячеек. Раз рядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

Представьте себе следующее. Если шина данных — это автострада, а ее разрядность — это количество, полос движения, то с шиной адреса можно ассоциировать нумерацию домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере дома. Например, если вы живете на улице, где по каким-то причинам номера домов не могут состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на этой улице не может быть больше ста (от 00 до 99), т.е. 10². При трехзначных номерах количество возможных адресов возрастает до 10³ (от 000 до 999) и т.д.

В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому при двухразрядной адресации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00, 01, 10 и 11), т.е. 2², при трехразрядной — восемь (от 000 до 111), т.е. 2³. Например, в процессорах 8086 и 8088 используется 20 ^ти разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать 2²⁰ (1 048 576) байт, или 1 Мбайт, памяти. Шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядности по своему усмотрению но, как правило, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией, а разрядность шины адреса - объем памяти, с которым он может работать.

4.1.2. Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик, которую часто толкуют по-разному. Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц) Она определяется параметрами используемого кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием напряжения кварц вызывает колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Этот переменный ток и есть тактовая частота. Обычный компьютер совершает миллионы таких циклов в секунду. Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду.

Замечания Единица измерения частоты названа герцем в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца. В 1885 году Герц экспериментальным путем подтвердил правильность электромагнитной теории, по которой свет является видом электромагнитного излучения и распространяется в виде волн.

Наименьшей единицей времени для процессора является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается как минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор 8086 выполняет за четыре такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания - это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не “убегал” вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.) Аналогичный обмен в процессоре 286 занимает два такта и несколько циклов ожидания.

Время, затрачиваемое на выполнение команд, также не постоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. В процессорах 286 и 386 этот показатель уменьшился в среднем до 4,5 тактов на операцию, а в 486 - до 2 тактов. Использование в процессоре Pentium двух параллельных секций и других ухищрений позволило сократить время выполнения среднестатистической команды до одного такта.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров только по его тактовой частоте (т.е. по количеству тактов в секунду). Одной из причин высокого быстродействия процессора 486 является то, что среднее время выполнения команды составляет 2 такта. Можно сделать вывод, что процессор Pentium с тактовой частотой 100 МГц приблизительно соответствует процессору 486 с частотой 200 МГц, процессору 386 или 286 с частотой 400 МГц и процессору 8088 с частотой 1000 МГц. Как видите, необходимо соблюдать осторожность, сравнивая компьютеры только по тактовой частоте их процессоров, ведь на производительность влияют и другие факторы.

Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее, чем другой. Причина кроется в производительности. Предположим, вы сравниваете два автомобильных мотора. Одной из деталей двигателя является коленчатый вал, у которого тоже есть свой “такт” - один оборот. Параметром, характеризующим “быстродействие” двигателя, является частота вращения коленчатого вала, измеряемая в оборотах в минуту. Если у двух двигателей одинаковые максимальные частоты вращения, то автомобили с этими моторами должны ездить с одинаковыми скоростями. Нет, не так! В действительности скорость более мощной машины выше (при условии, что оба автомобиля одинаково весят и имеют один и тот же тип привода). Одним словом, очень непросто сравнивать скорость автомобилей, исходя только из одного параметра. При этом надо учитывать и множество других факторов. Как мы не стали бы сравнивать автомобили по частоте вращения коленчатых валов их двигателей, так не стоит сравнивать компьютеры, основываясь только на их тактовых частотах.

Итак, сравнение скоростей автомобилей по количеству оборотов их двигателей не вполне корректно. Адекватно оценить их скорость невозможно, поскольку она зависит не только от вышеупомянутой величины.

К сожалению, по отношению к компьютерам такую ошибку допускают довольно часто. Использование частоты вращения двигателей при сравнении скоростей двух автомобилей подобно использованию тактовой частоты при сравнении быстродействия двух компьютеров. Более важной, чем частота вращения, характеристикой двигателя является его мощность, т.е. та полезная работа, которую он может совершить за единицу времени. Кроме этого, вы должны учесть вес машины, коэффициент трения, передаточное число трансмиссии, потери мощности и т.д. Как видите, даже в таком относительно простом деле, как сравнение двух автомобилей, приходится учитывать множество обстоятельств, хотя весьма велик соблазн, просто посмотреть, где на приборной панели проведена красная черта, означающая предельные обороты двигателя. Ну а лучше всего, конечно, сравнить скорости автомобилей непосредственно на дороге. Что же касается компьютеров, запустите на них специальные измерительные программы или тесты.

Большой 8-цилиндровый двигатель выполняет за один оборот такт больше полезной работы, чем 6-цилиндровый. Точно так же Pentium за один такт выполняет больше операций, чем процессор 486, т.е. его эффективность выше. Одним словом, производительность компьютера — это не только мегагерцы.

Двигатели лучше всего сравнивать по числу лошадиных сил. Осталось лишь придумать соответствующий эквивалент для процессоров. Попытку ввести “лошадиные силы” для компьютеров предприняла фирма Intel, которая разработала ряд измерительных тестов, с помощью которых можно выполнить сравнительную оценку производительности систем на базе процессоров Intel и получить так называемый ICOMP-индекс (Intel Comparative Microprocessor Performance). Для оценки производительности 32 ^х разрядных систем применяется индекс ICOMP 2.0. В табл. приведены индексы ICOMP 2.0 для некоторых процессоров.

ICOMP - индекс выводится в результате нескольких независимых испытаний и довольно объективно характеризует относительную производительность процессора. При подсчете ICOMP-индексов учитываются операции с плавающей запятой, поэтому процессоры со встроенными сопроцессорами всегда имеют некоторое преимущество. Конечно, на производительность процессора влияет и тактовая частота. Она является системной функцией и обычно контролируется кварцевым резонатором. Обычно тактовый сигнал для процессора получают путем деления частоты опорного кварцевого генератора на определенное число. Коэффициент деления зависит от типа процессора, вспомогательных микросхем и построения всей системной платы. Например, в компьютерах IBM PC и XT частота кварцевого генератора равна 14,31818 МГц. Она делится на 3 специальной микросхемой — формирователем тактовых сигналов 8284, и в результате рабочая частота процессора составляет 4,77 МГц. В компьютерах IBM AT частота опорного генератора может быть равной 12 или 16 МГц. После деления ее на 2 в процессоре 80286 его тактовая частота оказывается равной соответственно 6 или 8 МГц.

В современных компьютерах используется синтезатор переменной частоты, обычно расположенный в системной плате и контролирующий ее быстродействие. Большинство системных плат 486 и Pentium имеет три или четыре варианта быстродействия. Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах на основе быстродействия конкретной материнской платы. Например, быстродействие большинства процессоров 486 и Pentium в несколько раз больше быстродействия системной платы. В табл. показано быстродействие процессоров Pentium и системных плат к ним.

При равных прочих условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядностях шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это надо осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов (в частности, от тех, на которые влияет структура памяти). Например, компьютер с более низкой тактовой частотой может работать быстрее, чем вы ожидаете, а система с более высоким значением номинальной тактовой частоты будет иметь меньшее быстродействие, чем следовало бы. Определяющим фактором при этом становится конструкция и элементарная база оперативной памяти системы.

В процессе изготовления процессоры проверяют при различных тактовых частотах, значениях температуры и давления. После этого на них наносится маркировка. В ней указывается максимальная рабочая частота во всем диапазоне температур и давлений, которые могут встретиться в обычных условиях. Система обозначений довольно проста. Например, на процессоре моего компьютера написано A80486DX2-66. Буква А на микросхемах фирмы Intel обозначает тип корпуса, в данном случае это керамический корпус типа PGA (Pin Grid Array). 80486DX2 — тип микросхемы (процессор 486DX с удвоенной тактовой частотой). Число 66 означает, что максимальная тактовая частота равна 66 МГц. Поскольку в самом процессоре частота удваивается, рабочая частота системной платы не должна превышать 33 МГц. Процессор может работать и на более низких частотах; например, при частоте системной платы 25 МГц его собственная тактовая частота будет равна 50 МГц.

Большинство системных плат 486 может работать на частоте 40 МГц, и в этом случае тактовая частота процессора DX2 будет равна 80 МГц. Большинство новых процессоров, маркированных тактовой частотой 66 МГц, неплохо работает на частоте 40/80 МГц. Однако при выполнении ответственной работы, когда крайне важна надежность системы, компьютер, работающий на пределе своих возможностей, совершает огромное количество ошибок.

На некоторых микросхемах последняя часть маркировки не очень похожа на обозначение частоты. Например, для устаревших МП типа 8086 шифр —3 означает, что его максимальная тактовая частота равна 6 МГц. Такая кодировка чаще всего встречается на старых микросхемах, выпущенных еще до введения нынешнего стандарта на условные обозначения.

Микросхемы процессоров часто снабжаются теплоотводами, и маркировка при этом может оказаться закрытой. (Теплоотвод — это металлическое приспособление, охлаждающее электронные приборы.) Большинство процессоров, работающих на частоте 50 МГц и выше, должно иметь теплоотводы, предотвращающие их перегрев.

4.1.3. Режимы работы процессора

Процессоры могут работать в различных режимах. Под термином “режим” подразумевается способы, которым процессор создает и обеспечивает для себя рабочую среду. Режим работы процессора задает способ адресации к оперативной памяти и способ управления отдельными задачами. Процессоры персональных компьютеров могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном режимах.

4.1.3.1. Реальный режим

Первоначально персональные компьютеры фирмы IBM могли адресовать только 1 Мбайт оперативной памяти. Это решение, принятое в начале развития персональных компьютеров, продолжало соблюдаться и в последующее время — в каждом компьютере следующего поколения процессор должен был уметь работать в режиме совместимости с процессором Intel 8086. Этот режим назвали реальным режимом. Когда процессор работает в реальном режиме, может обращаться к памяти только в пределах 1 Мбайта (как и процессор Intel 8086,), и не может использовать 32 ^х разрядные и 64 ^х разрядные операции. Процессор попадает в реальный режим сразу же после запуска. В реальном режиме работают операционные системы DOS и стандартные DOS - приложения.

4.1.3.2. Защищенный режим

Начиная с процессоров Intel 80286 и компьютеров типа IBM PC/AT, появляется защищенный режим. Это более мощный режим работы процессора по сравнению с реальным режимом. Он используется в современных многозадачных операционных системах. Защищенный режим имеет много преимуществ:

•  В защищенном режиме доступна вся системная память (не существует предела 1 Мбайт),

•  В защищенном режиме операционная система может организовать одновременное выполнение нескольких задач (многозадачность).

•  В защищенном режиме поддерживается виртуальная память — операционная система при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения оперативной памяти.

•  В защищенном режиме осуществляется быстрый (32 ^х/64 ^х разрядный) доступ к памяти и поддерживается работа 32 ^х разрядных операций ввода-вывода.

Каждая выполняемая на компьютере программа имеет свою собственную область памяти, которая защищена от доступа со стороны других программ. Когда какая - либо программа .пытается обратиться по неразрешенному для нее адресу памяти, генерируется ошибка защиты памяти. Все современные операционные системы используют защищенный режим, включая Windows 98/Ме, Windows NT/2000/XP, OS/2 и Linux. Даже операционная система DOS (обычно работающая в реальном режиме) может использовать доступ к памяти защищенного режима с помощью программного интерфейса DPMI (DOS Protected Mode Interface — интерфейс защищенного режима операционной системы DOS). Этот интерфейс используется компьютерными играми и другими программами под DOS для того, чтобы преодолеть барьер в 640 Кбайт основной памяти DOS. С появлением процессора Intel 386 защищенный режим был усовершенствован: увеличено максимально доступное адресное пространство, расширена система команд. Поэтому он иногда называется усовершенствованным защищенным режимом.

Процессоры получили возможность переключаться из реального режима работы в защищенный и обратно. Именно с появлением процессоров семейства 386 защищенный режим стал широко использоваться в операционных системах. Для возврата из защищенного режима в компьютерах на базе процессора 80286 использовались специальные аппаратные решения

4.1.3.3. Виртуальный режим

Защищенный режим используют графические многозадачные операционные системы, такие как Windows. Иногда возникает необходимость выполнения DOS -программ в среде операционной системы Windows. Но DOS-программы работают в реальном режиме, а не в защищенном. Для решения этой проблемы был разработан виртуальный режим. Иначе данный режим называют “режим виртуального процессора 8086”. Этот режим эмулирует (имитирует) реальный режим, необходимый для работы DOS - грамм, внутри защищенного режима. Операционные системы защищенного режима (такие как Windows) могут создавать несколько машин виртуального режима — при этом каждая из них будет работать так, как будто она одна использует все ресурсы персонального компьютера. Каждая виртуальная машина получает в свое распоряжение 1 Мбайтное адресное пространство, образ реальных программ BIOS и т.п. Виртуальный режим используется при работе в DOS - окне или при запуске DOS - игр в среде операционной системы Windows 98/Ме. При запуске на компьютере DOS - приложения операционная система Windows создает виртуальную DOS - машину, в которой выполняется это приложение.

4.1.4. Суперскалярная архитектура

Программные инструкции - команды обрабатываются электронными схемами, называемыми операционными блоками или исполнительными устройствами. Термин суперскалярная архитектура означает одновременное использование нескольких операционных блоков, что позволяет центральному процессору выполнять несколько инструкций за один машинный такт (цикл). Например, в процессоре Pentium Pro используются два операционных конвейера (их называют U и V). Это является формой многопроцессорности внутри самого центрального процессора, поскольку несколько часто выполняемых операций, выполняются параллельно несколькими устройствами. Большинство современных процессоров являются суперскалярными на том или ином уровне. За счет сочетания конвейерной обработки команд с несколькими операционными блоками в суперскалярной архитектуре центрального процессора удается достигать чрезвычайно эффективного использования каждого машинного такта.

4.1.5. Конвейерная обработка

Центральный процессор обрабатывает команды и генерирует результат их выполнения посредством сложных серий переключений транзисторов внутри самого кристалла процессора (также как и в случае любой другой логической микросхемы). Первые процессоры выполняли последовательно одну команду задругой. Каждая команда выбиралась из памяти и полностью выполнялась, затем выбиралась следующая команда. Обработка могла занимать несколько машинных тактов (в зависимости от команды). Простые команды могли выполняться за 2 или 3 такта, а сложные команды требовали для своего выполнения от 2 до 7 тактов.

Конвейерная обработка (командный конвейер) позволяет начинать обработку следующей команды еще до окончания выполнения текущей команды. Таким образом, центральный процессор за один машинный такт может обрабатывать несколько команд. Иными словами, в каждый такт в конвейере могут находиться несколько команд. Конвейерный метод обработки обеспечивает загрузку операционных блоков, не занятых обработкой текущей команды. В то же время центральный процессор может выдавать в каждом такте результат обработки только одной команды.

4.1.6. Суперконвейер

Как было сказано выше, команды обрабатываются в конвейере, каждая часть которого выполняет определенную операцию над командой. Если сделать конвейер более длинным (увеличить количество шагов обработки команды), то на каждом шаге обработки будет выполняться меньше работы (а значит и за меньший промежуток времени) и можно будет увеличить тактовую частоту процессора. Такая технология известна под названием суперконвейера и является усовершенствованием простого конвейера.

4.1.7. Спекулятивное выполнение команд и предсказание программных переходов

Некоторые процессоры обладают способностью одновременного выполнения нескольких команд. В ряде случаев не все результаты обработки этих команд будут использоваться, поскольку ветвление программы может привести к тому, что часть уже загруженных в конвейер команд не должна была исполняться. Такое часто наблюдается на участках программ вблизи команд условных переходов — где проверяется некоторое условие, и дальнейшее выполнение программы зависит от проверки выполнения этого условия (условный оператор в любом языке программирования). Ветвление программы представляет реальную проблему для конвейера команд, поскольку нет гарантии в том, что программа будет далее выполняться линейно т.е. не будет выполнена команда перехода на другую часть программы. Менее “интеллектуальные” процессоры останавливают конвейер до того момента, когда будет известен результат проверки условия ветвления программы, что приводит к падению производительности. Более совершенные процессоры будут продолжать обрабатывать конвейер команд в предположении, что выполнение программы продолжится без ветвления. Еще более совершенные процессоры обладают способностью предсказывать ветвление программы (с достаточно хорошей точностью), на основе анализа предыдущей истории выполнения данного участка программы. Механизм предсказания программных переходов улучшает обработку ветвлений программы. При этом используется специальная небольшая кэш - память, называемая целевым буферам ветвлений. Когда процессор обрабатывает команду перехода, то он запоминает информацию о ней в этой памяти. Если процессор в следующий раз встретит эту команду перехода, то он может уже “догадаться” на основе записанной информации о направлении ветвления программы в этом месте. Это позволяет не останавливать конвейер и повышает производительность процессора.

4.1.8. Динамическое выполнение команд

Даже самый быстрый процессор выполняет команды в том порядке, в котором они располагаются в конкретной программе. Это означает, что неправильно или неэффективно написанная программа будет снижать производительность центрального процессора. Во многих случаях даже хорошо написанная программа ухудшается в процессе ее трансляции в машинные команды. Метод динамического исполнения позволяет процессору оценивать последовательность команд программы и “выбирать” лучшую последовательность обработки команд. Например, команда 2 может быть выполнена раньше окончания обработки команды 1. Результаты же выполнения команд располагаются в первоначальном порядке для обеспечения правильного выполнения программы. При неграмотном написании программы такое выборочное переупорядочивание команд позволяет процессору лучше использовать свои ресурсы, что повышает его производительность, Переименование регистров и буфера записи

Методика переименования регистров используется для организации нескольких процессов обработки команд различными операционными блоками, пытающимися использовать одни и те же регистры. Вместо того чтобы довольствоваться единственным набором регистров, используется несколько наборов регистров. Это позволяет различным операционным блокам работать одновременно, без ненужных приостановок в работе конвейера. Буфер записи используются для хранения результатов выполнения команд до тех пор, пока эти результаты не будут опять переписаны в регистры или в память. Чем больше буферов записи, тем больше команд могут выполняться без остановки конвейеров.

4.1.9. Многопроцессорность

Многопроцессорность - это методика организации работы нескольких процессоров в одной системе. Идея состоит в удвоении производительности системы при использовании двух процессоров вместо одного, или повышении производительности в 4 раза при использовании 4 ^х процессоров т.д. На практике дело состоит не так просто, но в определенных условиях многопроцессорность улучшает производительность системы. Для эффективного использования многопроцессорности главный компьютер должен удовлетворять следующим требованиям:

· Поддержка со стороны системной платы. Системная плата должна располагать дополнительными процессорными разъемами для установки нескольких процессоров, а комплект микросхем должен обеспечивать управление микропроцессорной конфигурацией.

· Поддержка со стороны процессора. Процессоры должны быть приспособлены для работы в многопроцессорных системах. Для подбора соответствующих процессоров необходимо обратиться за помощью к документации на системную плату.

· Поддержка со стороны операционной системы. Многопроцессорные системы обслуживают такие операционные системы как Windows NT/200Q/XP или UNIX. Windows 98 не поддерживает многопроцессорность.

Многопроцессорные компьютеры хороши для выполнения на них специального прикладного программного обеспечения. Многопроцессорный компьютер работает под управлением операционной системы, которая распределяет различные задачи по разным процессорам компьютера. Прикладные программы, написанные для многопроцессорного компьютера, должны состоять из отдельных потоков, которые могли бы выполняться независимо друг от друга. Это дает возможность операционной системе запускать их на разных процессорах одновременно и за счет этого увеличивать производительность компьютера в целом. Если же прикладное программное обеспечение не отвечает требованиям многопроцессорной системы, то такая система не даст преимущества хотя операционная система сможет использовать дополнительные процессоры в том случае, когда необходимо выполнять несколько приложений одновременно.

Многопроцессорные системы могут быть асимметричными или симметричными. Эти термины характеризуют то, как операционная система распределяет задачи между процессорами компьютера. В асимметричных системах некоторые процессоры заняты выполнением только системных задач, а другие процессоры выполняют только прикладные программы. При жестком распределении процессоров по типам задач наблюдается снижение производительности в те периоды, когда компьютеру необходимо выполнять больше системных задач, чем прикладных иди наоборот. Симметричная многопроцессорность (SMP — symmetric multi processing) позволяет на любом процессоре выполнять любые задачи — системные или прикладные. Это более гибкий подход построения многопроцессорных систем, и он позволяет достичь большей производительности. Большинство многопроцессорных системных плат для персональных компьютеров предназначены для построения симметричных многопроцессорных систем.

Для того чтобы процессор мог работать в многопроцессорном компьютере в режиме SMP, он должен поддерживать многопроцессорный протокол, который определяет способ общения процессоров друг с другом и с системным комплектом микросхем. Процессоры Intel используют протокол SMP под названием “АРIС”, а комплекты микросхем Intel, которые поддерживают многопроцессорность, разработаны для реализации этого протокола. Протокол АРIС является патентованным стандартом компании Intel. Поэтому хотя процессоры AMD и Cyrix и являются совместимыми с процессорами Intel, они не могут использовать этот протокол в SMP - конфигурациях. Компании AMD и Cyrix разработали свой собственный SMP - протокол под названием Open - PIC.

4.1.10. Мультимедийные расширения

С увеличением количества мультимедийных программ (графических приложений, презентаций и т.п.) для проведения интенсивных вычислений стало не хватать пропускной способности процессора. Возникла потребность в увеличении скорости выполнения некоторых вычислительных операций, необходимых для выполнения мультимедийных и коммуникационных приложений. В то время как эти операции составляют не более 10% объема программы, их выполнение занимало до 90% времени. Компании Intel и AMD стали состязаться в создании лучших мультимедийных расширений для своих процессоров

Рекомендуем посмотреть лекцию "3.4 Защита листов и рабочих книг".

4.1.10.1. ММХ

В 1996г. компания Intel ввела в процессоры семейства Pentium (назвав их Pentium - ММХ) реализацию 57 новых команд, назвав их мультимедийными расширениями (ММХ — multimedia extensions). ММХ - команды обрабатывают несколько элементов целочисленных данных параллельно, используя метод под названием “одна команда — много данных” (SIMD — Single Instruction Multiple Data). С помощью этой технологии процессор может обрабатывать одновременно большое количество данных, за счет чего уменьшается время обработки видео и звуковой информации, присутствующей в мультимедийных приложениях. Следующие модели процессоров InteL (Pentium II/III/IV и Celeron) также поддерживают обработку набора ММХ - команд. Команды ММХ наиболее эффективны при обработке 2 ^х мерных изображений и звука.

4.1.10.2. 3DNow

 Компания AMD также сочла необходимым улучшить мультимедийные возможности своих процессоров. Но вместо того, чтобы сосредоточить основное внимание на командах обработки 2 ^х мерных изображений (как это сделала компания Intel в расширении ММХ), компания AMD разработала 21 команду для обработки 3 ^х мерных изображений, которые существенно увеличили производительность процессоров при обработке 3 ^х мерных изображений (а также декодировании МPEG - файлов). Компания AMD создала набор мультимедийных команд (под названием 3DNow) в 1998г. на 9 месяцев раньше выхода набора команд SSE компании InteL. Поскольку компания AMD опередила Intel в этой области, то компьютеры с процессорами AMD К6, К6-2, AthLon и Duron, использующими набор команд 3DNow, стали заманчивой перспективой для выполнения на них игровых программ и приложений, работающих с 3 ^х мерной графикой.

4.1.10.3. SSE и SSE-II

К 1999 году компания Intel обновила свой набор мультимедийных команд и разработала новый под названием SSE (Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения SIMD), предназначенный для процессоров Pentium III. Набор команд SSE основан на командах ММХ, и содержит 70 новых команд, которые более эффективно обрабатывают числа с плавающей точкой, что значительно повышает производительность обработки 3 ^х мерной графики. Этот набор обеспечивает потоковую обработку видео и звуковой информации, распознавание речи, в него также добавлены несколько функций, предназначенных для организации работы в сети Internet. Для процессоров Pentium-4 были разработаны 144 новые мультимедийные команды, объединенных в набор под названием SSE - II.