Процессоры семейства х86

В это статье я расскажу о том, о чем мы больше не будем писать в этом номере... Да-да, именно о ставших уже давно обыденной вещью для сотен миллионов землян персональных компьюторах aka IBM PC Compatible.

Эпиграф

Не в горах и не в пучине -

В Силиконовой долине

Разработкою систем

Занимался IBM.

hardsign

Думаю, никто не будет спорить, что основопологающим для этой самой популярной в мире архитектуры компонентом системы является центральный процессор - CPU (Central Processor Unit), поэтому я предлагаю тебе небольшой обзор х86-камней. Для начала небольшой экскурс в историю: как развивалась линейка этих процов.

Процессоры вообще появились очень давно - в середине 50-х годов теперь уже прошлого века, правда, сначала в виде монстров, работающих в компьютере размером со среднее здание. Затем началась эра миниатюризации, и в производстве появились первые микропроцессоры. Компьютеры на их базе уже умещались не только в комнате, но даже на рабочем столе. Характерная черта этих процессоров - они были 8-битными.

Следующим этапом развития камней становится 1978 год. Именно тогда Intel выпустил свой первый 16-разрядный проц с маркировкой «8086». Для своего времени этот камень имел неплохие характеристики: тактовая частота 5 МГц (позже появились процессоры 8 и 10 МГц), производительность 0,33 MIPS, технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов составляли кристалл, 1 Мб адресуемой оперативной памяти, конвейер 8086 имеет 6-байтную очередь инструкций. И самый главный бонус - инструкции стали уже с 16-битными операндами, то есть камни перешли на качественно новый уровень. Регистры и система команд были переработаны (в отличие от 8080), хотя некоторое сходство проследить можно. Это процессор получил признание общественности, но из-за дороговизны многие не могли его себе позволить.

8088

Через год на рынок выходит Intel-процессор 8088. Сущность ядра не изменилась, была немного повышена тактовая частота (стала около 10 МГц) и изменена шина данных: она стала 8-битной (напомню, что шина данных у 8086 16-разрядная). Это было сделано для снижения цены на камни и системы в целом, но, как ты понимаешь, любое уменьшение разрядности шины не приводит ни к чему хорошему, и поэтому модель 8086 получила довольно сильное общее снижение производительности. Ее предок, при равной тактовой частоте, работал на 20-60% быстрее, чем 8088! Функциональные различия этих процессоров, обусловленные разной разрядностью шины, проявляются только в способе подключения 8- и 16-разрядных внешних девайсов. Больше отличий от 8086 не объявлялось, и поэтому очень часто 8088 считают модификацией 8086. У этих процессоров уже включена возможность подключения сопроцессора (например, математического – он был необязательным и, к тому же, довольно дорогим). Команда выполняется в среднем за 12 тактов синхронизации. Эти камни стояли в IBM XT(позже еще и в IBM Turbo-XT) машинах и были предками современных железных мозгов наших компов.

И какой-то там профессор

Изобрел еще процессор

(У него названье есть - 286).

i80286

В 1982 году Intel выпускает следующего представителя х86 семейства: Intel i80286 - процессор, в народе именовавшийся "двойкой". Этим процессором ознаменовывается попытка Интела ввести защищенный режим в массы: 286 камень поддерживал переход в него. Его характеристики: 134000 транзисторов (технология 1,5 мкм), адресация до 16 Мбайт физической памяти, способность адресоваться к виртуальной памяти размером до 1 Гбайт, 16-битная шина данных и очередь команд в 6 байт, частота от 10 МГц. Если кратко, то он имел 2 значительных плюса: защищенный режим и виртуальная память до 1 Гб. В начале 80-х годов эти преимущества 286 проца реализованы не были. Интел дал только задатки, но софтварный мир не был готов их реализовать - основной ОС был DOS, по определению работавший в реальном режиме и к тому же однозадачный. А виртуальная память в 1 Гб была лишней, особенно если вспомнить, что винт среднего ПК был не больше 100 метров. Кстати, для переключения в защищенный режим была введена специальная инструкция, обратный же переход был возможен только с помощью кнопки reset ;-).

Появление псевдомногозадачности (пседво потому, что если в твоей машине 1 процессор, то в определенный, пусть и малый момент, твоя ОС выполняет какую-то 1 задачу, хоть и переключается между ними очень быстро, создавая такой эффект) позволило создавать многозадачные ОС, типа Unix, Linux, BeOS и, конечно, винды. Дальнейшее развитие получил механизм виртуальной памяти, и начиная с этого проца ее объем стал 1 Гб для каждой задачи. Стали активней применяться сопроцессоры: уже у многих 286 камней был математический сопроцессор, маркированный 80287, что позволяло повысить производительность системы в целом. Программная модель процессора особых изменений не претерпела: основа 8086 сохранилась, но были добавлены новые инструкции для работы с защищенным режимом и инструкции, использующие PIO (Programmable Input/Output), что позволило повысить производительность работы с оперативной памятью. За счет таких архитектурных нововведений удалось повысить производительность процессора: 80286 с тактовой частотой 12,5 МГц работает более чем в 6 раз быстрее, чем его предшественник 8086 с частотой 5 МГц. В заключение скажу, что именно этот камень стал самым популярным, и именно он продвинул Интел в нишу домашних ПК.

i80386

i80386, выпущенный в 1985 году, стал первым полностью 32-битным процессором. Характеристики: 275000 транзисторов, частота от 16 до 32 МГц. Его основное отличие от предшественников – 32-битные шины данных и адреса. Также изменился принцип сегментации памяти, а точнее - был убран барьер в 64 Кб для 1 сегмента. Сейчас для защищенного режима он стал 4 гига. Размер виртуальной памяти в очередной раз увеличился: 386 камни поддерживали виртуальную память до 64 терабайт. Внутреннюю очередь команд увеличили до 16 байт. Существовала возможность подключения сопроцессора Intel387 или даже от 286 машины - Intel287, правда, в последнем варианте производительность была меньше. Именно этот процессор в полной мере внедрил в массы защищенный режим, так, начиная с i80386 можно использовать многозадачность на полную мощность.

Процессор i80386 получил широкое распространение - было выпущено несколько модификаций с улучшенными характеристиками, например, i80386SX, его основное отличие от предка - урезанные шины данных (16-разрядная) и адресная шина (24 разряда). Это объясняется опять же желанием снизить цену на проц. Характеристики не изменились, но из-за такого урезания шин камень иногда считают 16-разрядным. Именно после выпуска первого мода, прародителя - i80386 - стали называть 386DX. В 1990 году выпускают Intel386SL, его нововведение - средства управления энергопотреблением, то есть явно прослеживается ориентация на рынок мобильных компьютеров.

i80486

Этот процессор - полностью 32-битный, и представляет он второе поколение 32-битных камней от Интел. Технические характеристики: 1,25 млн. транзисторов, частота от 25 до 50 МГц, кэш первого уровня - 8 Кб, второго уровня до 512 Кб, адресная шина 32-разрядная, шина данных 32-разрядная (20-50 МГц). В 486 камне было очень много нововведений, позволяющих использовать его и сейчас, именно с него процы приобретают привычное для нас строение и возможности.

Итак, вот что внес Интел в свою "четверку": введен кэш первого уровня, и появились средства, необходимые для построения мультипроцессорных систем. Введены буферы отложенной записи, которые задерживали запись данных в память при занятой шине данных, что позволяло камню выполнять инструкции непрерывно, не ожидая освобождения шины. Увеличена производительность локальной шины, что позволило передавать слово данных в каждом такте, а не через один, как было раньше. Переработано ядро, и сейчас чаще всего встречающиеся инструкции выполняются за 1 такт, а это удвоило среднюю производительность, по сравнению с 386, при равных частотах. Проведено очередное увеличение очереди команд, она стала равна 16 байтам. Уже на многих четверках присутствовал сопроцессор, совместимый с 387. Конечно же, вводятся новые инструкции, позволяющие рациональнее работать с памятью и проводить математические операции. И, как и раньше, Интел выпускает несколько модов для данной модели: P4 Intel486 DX - полный вариант (процессор + мат. сопроцессор), кэш с прямой записью. Затем появляется P23 Intel486 SX (1991 год) - вариант без сопроцессора, кэш с прямой записью. Intel486 SL enchanced (1992 год) - проц со встроенными средствами уменьшения энергопотребления. P24 Intel486 DX2 (1992 год) - проведено удвоение тактовой частоты. P23T Intel486 SX (или DX) (1992 год) OverDrive, основное его отличие - архитектура класса Pentium, хотя системная шина от 486. Вроде бы так Интел подошел к архитектуре пня, но в 1994 (через год после выпуска первого представителя класса Pentium) выпускается последняя модификация 486 камня: Intel 486 DX4. Кодовое имя: P24C, технические характеристики: 1,6 млн. транзисторов, тактовая частота от 75 до 100 МГц; кэш первого уровня: 16 Кб, кэш второго уровня на материнской плате (до 512 Кб), процессор 32-разрядный, шина данных 32-разрядная (25-33 МГц), адресная шина 32-разрядная. На этом история 486 камня заканчивается, больше модификаций не было, и Интел переходит на новый виток: выпуск процессоров с маркировкой Pentium.

Intel Pentium (P5)

В 1993 году Интел выпускает продолжателя рода 32-битных процессоров: Intel Pentium. Его технические характеристики: использовалось 3,1 млн. транзисторов, технология 0,8 мкм, частота: 60-66 МГц; кэш первого уровня: 16 Кб, кэш второго уровня на материнской плате (до 1 Мб), шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная. Использовался Socket 4. Из самых важных новшеств - суперскалярность. То есть проц мог за один такт выпускать с конвейера до 2 инструкций. Также применили разделение кэш-памяти первого уровня: 8 Кб отдали под данные и 8 под инструкции. Пентиумы первого поколения (кодовое название Р5) большого распространения не получили: они были очень дорогими, если сравнивать с аналогичными 486, при производстве сопроцессоров была допущена ошибка. Хоть и некритическая, но, тем не менее, Интел обменивал уже проданные процы на профиксенные камни.

Intel Pentium Pro

Это первый процессор шестого поколения. Основным отличием от предыдущих было введение кэш-памяти второго уровня, работающей на полной частоте ядра. Технические характеристики: 5,5 млн. транзисторов в ядре, 15,5-31 млн. транзисторов на кэш-память, технология от 0,5 до 0,35 мкм, тактовая частота от 150 до 200 МГц, кэш первого уровня 16 Кб, кэш второго уровня до 2 мегов, адресная шина 32-разрядная, шина данных 64. Использовался сокет 8. Нововведения имели две стороны: ускорение работы на новых системах и приложениях, но замедление на 16-битных и в среде 95 виндов. Основной сферой применения этого камня считали серверную нишу.

Intel Pentium ММХ

В 1997 году, наконец-то, появляется процессор с некоторыми встроенными средствами поддержки мультимедиа. Основная ставка Интел в этом процессоре - ускоренная обработка изображения и аудиоданных. Правда, высказывались мнения о бесполезности введения дополнительных инструкций, так как проц тратил время на распаковку/запаковку данных. Технические характеристики сильно от предка не отличались, были только добавлены новые инструкции, и повышена максимальная тактовая частота до 233 МГц. Такие камешки все еще имеют немалое распространение ввиду малой цены и более-менее реальных возможностей. Например, средненький сервак для них - работа самое то.

Intel Pentium 2

В мае 1997 года общественность получает от Интел очередной подарок: свеженький камешек с гордым именем Intel Pentium 2. Новое имя не принесло особых улучшений архитектуры: второй пень был собран на ядре Pentium Pro, правда, с увеличенной тактовой частотой. Яркой особенностью вторых пеньков стала модульная конструкция с разъемом типа Slot 1 и картриджем SECC (Single Edge Contact Cartridge). Такая хитрая сборка предназначалась как для простых смертных, так и для серваков, которые могли быть и мультипроцессорными. Технические характеристики: тактовая частота от 233 до 450 МГц, технология 0,25 микрон, примерно 7,5 миллионов транзисторов в ядре, кэш-память 2 уровня 512 Кб, первый уровень 32 Кб. В кристалл встраивается термодатчик, что позволяет мерить температуру прямо на ядре.

Intel Pentium 3 (кодовое название katmai)

Совсем недавно третий пень считался мерой крутости компа, народ брал любой комп, если там есть "пентиум 3"! Так давай же посмотрим, что в нем крутого: введено расширение SSE (Streaming SIMD Extensions), оно ориентировано на инструкции, которые выполняются одновременно над группой операндов с плавающей точкой. Были добавлены новые 128-разрядные регистры ХММ, предназначенные для инструкций класса SSE. Технические характеристика камня: 0,18 мкм технология, 28 млн. транзисторов составляют ядро, 256 Кб вторичного кэша, работающего на частоте ядра, тактовая частота до 1 ГГц.

Intel Pentium 4 (Willamette)

Последнее на сегодняшний день детище компании Интел на рынке 32-разрядных камней. Является идеологическим продолжателем рода х86, но, уже по классификации Интела, относится к 7 поколению. Программная модель проца в очередной раз была расширена за счет введения нового набора инструкций, называемого SSE2. В архитектуре тоже появились некоторые новшества: введены новые принципы микроархитектуры ядра, называемые NetBurst, которые изначально ориентированы на высокие частоты (минимальная - 1,4 ГГц), частота системной шины - 400 МГц. Правда, это заставило увеличить количество транзисторов в ядре до 48 млн., с технологией 0,18 мкм. Основная направленность - интернет и мультимедийные приложения.

Процессоры от AMD

Но не только Интел выводит свои процессоры на рынок настольных ПК. У этой могучей фирмы существовали и, как ни странно, существуют конкуренты, самый главный из который - AMD. Вот какие камешки они выпускали.

AMD K5

Программно совместимый с Pentium процессор, предназначенный для установки в socket 7. Тактовая частота доходила до 166 МГц. В отличие от "чистых" пней, камни от АМД имели некоторые задатки 6 поколения: усложненный конвейер, изменение порядка вычислений на ходу, изменение некоторых регистров.

AMD K6 (AMD K6 MMX)

Процессор был выпущен на месяц раньше второго пня, но при этом сильно напоминает Pentium 2, только без вторичного кэша. В нем было введено управление энергопотреблением, как и у интеловского собрата. Официально было доказано, что производительность K6 с 200 МГц была такой же, как у Celeron'а с 300 МГц! При этом программные модели были полностью совместимы.

AMD K6-2

Развитие линейки К6 от AMD. Новым было введение технологии 3DNow!, которая являлась расширенной технологией ММХ. Частота внешней шины была поднята до 100 МГц, улучшена работа с кэшем. Для правильной работы этого камня в 95 окнах необходимо слить с сайта AMD программный патч, позволяющий правильно определить проц. В 2000 году был выпущен K6-2+ - проц для 7 сокета, но уже с интегрированным кэшем в 128 Кб, который работал на частоте ядра.

AMD K6-3 (Sharptooth)

Это самый мощный процессор для сокета 7. Он позиционировался как конкурент третьего пня, и действительно, по многим характеристикам и тестам он не только не уступает ему, но и превосходит. Главный плюс этого камня - трехуровневая система кэширования памяти. То есть у этого камня существуют следующие типы кэш-памяти: кэш первого уровня, размер 64 Кб (32 на данные, 32 на инструкции), что в два раза больше чем у второго и третьего пней; кэш второго уровня – 256 Кб, причем располагающийся на одном кристалле с ядром, и как следствие, работающий на полной частоте ядра (для сравнения: вторичный кэш у Pentium 3 имеет либо меньший, либо равный объем, но работает на половине частоты ядра, а селероны хоть и имеют кэш второго уровня, работающий на полной частоте ядра, но вот объем его только 128 Кб). Кэш-память третьего уровня устанавливается на материнскую плату. Максимальный объем кэша третьего уровня равен 2 Мб. Естественно, что скорость обмена с этим кэширующим элементом будет ниже (около 800мб/сек), но все же гораздо больше, чем с оперативной памятью. Архитектурные особенности AMD K6-3 позволяют относить его к 66 поколению процессоров.

AMD Athlon (К7)

Этот процессор был признан лучшим по многим показателям в 1999 году. И сейчас он не потерял своего величия. Вот основные отличия от предшественников: введение новых инструкций, оптимизирующих работу по распознаванию речи, образов, воспроизведению цифрового звука, ускоряющих работу софт-модемов и т.д. Было выпущено несколько моделей этого проца, основанных на несколько различных ядрах, но программная модель оставалась неизменной. Так, атлон первой модели был таким: 0,25 мкм технология, первичный кэш в 128 Кб, впервые вводится программируемая скорость обмена с вторичным кэшем, а его объем от 512 Кб до 8 Мб; он использовал слот типа А. Второй атлон отличался от собрата только уменьшением технологии до 0,18 мкм и, соответственно, ростом тактовой частоты. Третья модель атлонов не получила существенных дополнений и изменений. А в четвертой был введен кэш второго уровня, работающий на полной тактовой частоте и располагавшийся на кристалле проца, правда, из-за 8-байтной разрядности, он уступал по скорости кэшу третьего пня. Также было изменено крепление: вводится новый сокет типа А (Socket-462).

Камни, которые мы потеряли

Процессоры Cyrix

Эти камешки были и остаются процессорами пятого поколения. В них нет разделения кэша на данные и инструкции (как сделано у подавляющего большинства х86). Эти процы, как правило, имеют электрическую совместимость с первыми пнями, что позволяет устанавливать их в пентиумовские материнки. Хотя есть программная совместимость с классом Pentium, все инструкции интеловских собратьев Cyrix реализовать не сумела, и поэтому многие программы сравнивают этот камень пятого поколения всего лишь с 486. Отличительные особенность Cyrix'овских камней: фиксированный коэффициент умножения 2, тактовые частоты от 55 МГц до 75 МГц, то есть не совсем стандартные, что вызывало некоторые трудности при работе. Некоторые программы не могли корректно работать на этих процессорах, в силу своеобразного выполнения программных задержек (вскоре Cyrix выпустила патчи, которые можно скачать с ftp://ftp.cyrix.com). Также выпускались усовершенствованные варианты этого камня: Cyrix 6x86mx, инструкции которого включали расширение ММХ. Сейчас Cyrix куплена IBM и процессоров больше не выпускает.

Камни от IDT (Integrated Device Technology)

Эта компания выпускала камешек IDT-C6, называемый Winchip. Это был дешевый, хотя и довольно медленный камешек для сокета 5. По архитектуре этот процессор близок к 486, но имеет очень малое энергопотребление и тепловыделение. Затем был выпущен Winchip-2 - проц для 7 сокета, имеющий расширения ММХ и 3Dnow! Тактовые частоты 200-300 МГц.

Финита ля комедия

Конечно, этот обзор не претендует на полноту. Тем не менее, надеюсь, прочитав его, ты узнал о своем железном друге много нового.

Большое спасибо hardsign@hardsign.com за содержательный стих и Михаилу Гуку за сводную таблицу процессоров.

Существует множество специализированных процессоров. Здесь ты прочтешь о самых популярных!

Все многозадачные ОС работают в защищенном режиме.

Процессоры от Интел - не единственные представители рода х86.

На самом деле в реальном режиме можно использовать чуть больше 1 Мб оперативной памяти!

AMD K6-3 (Sharptooth)- самый мощный процессор для сокета 7.

Процессор AMD Atlon был признан лучшим по многим показателям в 1999 году.