Архітектура комп'ютерів

1. Параметри процесорів

При описі параметрів і архітектури процесорів часто виникає плутанина. Ми розглянемо деякі характеристики процесорів, у тому числі розрядність шини даних і шини адреси, а також швидкодію.

Процесори можна класифікувати за двома основними параметрами: розрядністю і швидкодією. Швидкодія процесора - досить простий параметр. Вона вимірюється в мегагерцах (МГц); 1 МГц дорівнює мільйону тактів в секунду. Чим вище швидкодія, тим краще (тим швидше працює процесор). Розрядність процесора – параметр складніший. У процесор входять три важливих пристрої, основною характеристикою кожного з яких є розрядність:

Шину даних процесора ще називають передньою шиною (Front Side Bus – FSB), внутрішньою шиною процесора (Processor Side Bus – PSB) або просто шиною ЦПУ (ЦПП – центральний процесорний пристрій). Всі ці терміни позначають шину, яка з’єднує процесор з основними компонентами набору мікросхем системної плати (північний міст або концентратор контролера пам’яті).

Поняття розрядності процесорів викликає плутанину. Всі сучасні процесори мають 64-розрядну шину даних, однак це не робить їх справді 64- розрядними. Такі процесори, як Pentium 4 і Athlon ХР, є 32-розрядними – саме таку розрядність мають їх внутрішні регістри. У той же час шини введення/виведення процесора є 64-розрядними, а шини адреси – 32-розрядними (цей показник вищий, ніж у процесорів попередніх поколінь, наприклад Pentium і К6). Процесори сімейства Core 2, AMD Opteron і Athlon 64 є повноцінними 64- розрядними процесорами, оскільки мають також 64-розрядні внутрішні регістри.

2. Шина даних

Продуктивність і розрядність зовнішньої шини даних є основними характеристиками центрального процесора, які визначають швидкодію, з якою дані передаються в процесор або з процесора.

Дані в комп’ютері передаються у вигляді цифр через однакові проміжки часу. Для передачі одиничного біта даних в певний часовий інтервал посилається сигнал напруги високого рівня (близько 5В), а для передачі нульового біта даних - сигнал напруги низького рівня (близько 0В). Чим більше ліній, тим більше бітів можна передати за один і той же час. Сучасні процесори, починаючи з Pentium і Athlon і закінчуючи Core 2 і Athlon 64 Х2, і навіть Itanium 2, мають 64-розрядні зовнішні шини даних. Це означає, що всі ці процесори можуть передавати в системну пам’ять (або отримувати з неї) одночасно 64 біт (8 байт) даних.

Уявімо собі, що шина – це автомагістраль з рухомими по ній автомобілями. Якщо автомагістраль має всього по одній смузі руху в кожен бік, то по ній в одному напрямку в певний момент часу може проїхати тільки одна машина. Якщо ви хочете збільшити пропускну спроможність дороги, наприклад вдвічі, вам доведеться її розширити, додавши ще по одній смузі руху в кожному напрямку.

По мірі розвитку процесорів кількість «смуг» зростала. 8-розрядний процесор можна порівняти з односмуговою дорогою, оскільки за один раз передається один байт інформації (1 байт дорівнює 8 бітам). 16-розрядний процесор, здатний обробляти по два байти, можна порівняти з двохсмугувою дорогою. Чотирьохсмугова дорога з двома смугами в кожному напрямку – аналог 32-розрядної шини, здатної передавати по чотири байти інформації за раз. Продовжуючи розвивати дану аналогію, 64-розрядну шину можна порівняти з восьмисмуговий шосе, по якому дані передаються в процесор і назад.

Коли були створені 64-розрядні шини, розробники мікросхем зіткнулися з такою ситуацією: збільшення продуктивності неможливе через занадто великі складнощі з синхронізацією всіх 64 бітів. Розробники дійшли висновку, що зменшення кількості ліній дозволяє значно збільшити швидкість передачі даних, тим самим досягши великих смуг пропускання. У зв’язку з цим нові процесори мають 4- або 16- розрядні шини даних, які, тим не менш, характеризуються більшою пропускною здатністю, ніж 64-розрядні шини, на зміну яким вони прийшли.

Ще одне покращення, реалізоване в нових процесорах, – можливість використання декількох шин для різних завдань. Традиційна процесорна архітектура передбачала передачу всіх даних по одній шині. Зараз же для обміну даними з набором мікросхем, пам’яттю і роз’ємами графічних карт використовуються різні фізичні шини.

3. Шина адреси

Шина адреси являє собою набір провідників, по яких передається адреса комірки пам’яті, в яку або з якої пересилаються дані. Як і в шині даних, по кожному провідникові передається один біт, що відповідає одній цифрі в адресі. Збільшення кількості провідників (розрядів), які використовуються для формування адреси, дозволяє збільшити кількість адресованих осередків. Розрядність шини адреси визначає максимальний об’єм пам’яті, що адресується процесором.

Уявіть собі таке. Якщо шина даних порівнювалася з автострадою, а її розрядність – з кількістю смуг руху, то шину адреси можна асоціювати з нумерацією будинків або вулиць. Кількість ліній в шині еквівалентно кількості цифр в номері будинку. Наприклад, якщо на якійсь вулиці номера будинків не можуть складатися більш ніж з двох цифр (десяткових), то кількість будинків на ній не може бути більше ста (від 00 до 99), тобто 102 . При тризначних номерах кількість можливих адрес зростає до 103 (від 000 до 999) і т.д.

У комп’ютерах застосовується двійкова система числення, тому при 2- розрядній адресації можна вибрати тільки чотири осередки (з адресами 00, 01, 10 і 11), тобто 22 , при 3-розрядній – вісім (від 000 до 111), тобто 23, і т.д. Наприклад, в процесорах 8086 і 8088 використовується 20-розрядна шина адреси, тому вони можуть адресувати 220 (1048576) байт, або 1 Мбайт пам’яті.

Шини даних і адреси незалежні, і розробники мікросхем вибирають їх розрядність на свій розсуд, але, як правило, чим більше розрядів в шині даних, тим більше їх і в шині адреси. Розрядність цих шин є показником можливостей процесора: кількість розрядів в шині даних визначає спроможність процесора в обміні інформацією, а розрядність шини адреси – об’єм пам’яті, з яким він може працювати.

4. Внутрішні регістри (внутрішня шина даних)

Кількість біт даних, які може обробити процесор за один прийом, характеризується розрядністю внутрішніх регістрів. Регістр – це комірка пам’яті всередині процесора; наприклад, процесор може додавати числа, записані в двох різних регістрах, а результат зберігати в третьому регістрі. Розрядність регістра визначає кількість розрядів даних, які оброблюються процесором, а також характеристики програмного забезпечення і команд, що виконуються чіпом. Наприклад, процесори з 32-розрядними внутрішніми регістрами можуть виконувати 32-розрядні команди, які обробляють дані 32- розрядними порціями, а процесори з 16-розрядними регістрами цього робити не можуть. Процесори, починаючи з 386 і закінчуючи Pentium 4, мали 32-розрядні регістри і тому могли забезпечувати роботу одних і тих же 32-розрядних додатків. Процесори Core 2 і Athlon 64 мають як 32-, так і 64- розрядні регістри, це означає, що на них можна запускати існуючі 32-розрядні додатки і їх нові 64-розрядні версії.

Контрольні запитання

1. Перечисліть основні параметри мікропроцесорів.

2. Що таке шина адреси?

3. Що таке шина даних?

4. Що таке шина регістри процесорa?

Тема. ФОРМИ ПОДАННЯ ДАНИХ

1. Швидкодія процесора

Швидкодія – одна з характеристик процесора, яку часто тлумачать порізному

Швидкодія комп’ютера багато в чому залежить від тактової частоти, яка вимірюється в мегагерцах (МГц). Вона визначається параметрами кварцового резонатора, що являє собою кристал кварцу, вкладений в невеликий олов’яний контейнер. У нових материнських платах кварцовий резонатор може бути інтегрований в набір мікросхем системної логіки. Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникають коливання електричного струму з частотою, яка визначається формою і розміром кристала. Частота цього змінного струму і називається тактовою частотою. Мікросхеми звичайного комп’ютера працюють на частоті декількох мільйонів або мільярдів герц. (Герц - одне коливання в секунду.) Швидкодія вимірюється в мегагерцах, тобто в мільйонах циклів в секунду. Тактовий сигнал має форму синусоподібної хвилі, відстань між піками якої і визначає частоту.

Найменшою одиницею виміру часу (квантом) для процесора як логічного пристрою є період тактової частоти, або просто такт. На кожну операцію витрачається мінімум один такт. Наприклад, перший обмін даними з пам’яттю процесор Pentium 4 виконує мінімум за три такти; наступні 3 6 операцій обміну даними виконуються за один такт. Додаткові цикли першої операції обміну даними називають циклами очікування. Цикл очікування – це такт, в якому нічого не відбувається; він необхідний тільки для того, щоб процесор не «йшов» вперед від менш швидкодіючих вузлів комп’ютера.

Різниться і час, що витрачається на виконання команд.

■ 8086 і 8088. У цих процесорах на виконання однієї команди йде приблизно 12 тактів.

■ 286 і 386. У цих процесорах час виконання команд зменшено приблизно до 4,5 такту.

■ 486 і більшість Intel - сумісних процесорів четвертого покоління, таких як AMD 5x86, зменшили цей параметр до двох тактів.

■ Pentium і К6. Архітектура процесорів Pentium і інших Intel - сумісних процесорів п’ятого покоління, створених у AMD і Cyrix, що включає в себе подвійні конвеєри команд та інші удосконалення, забезпечила виконання однієї або двох команд за один такт.

■ Від Р6/Р7 до нових рішень. Процесори шостого та сьомого поколінь, створені компаніями AMD і Cyrix, дозволяють виконати мінімум три команди за кожен такт. У багатоядерних процесорах цей показник множиться на кількість ядер.

Різна кількість тактів, необхідних для виконання команд, ускладнює порівняння продуктивності комп’ютерів, засноване тільки на їх тактовій частоті (тобто кількості тактів в секунду). Чому при одній і тій же тактовій частоті один з процесорів працює швидше іншого? Причина ховається у внутрішній архітектурі процесорів.

Процесор 486 має більш високу швидкодією в порівнянні з 386-м, так як на виконання команди йому потрібно в середньому в два рази менше тактів, ніж 386-му; процесору Pentium потрібно в два рази менше тактів, ніж 486-му. Таким чином, процесор 486 з тактовою частотою 133 МГц (типу AMD 5x86 - 133) працює навіть повільніше, ніж Pentium з тактовою частотою 75 МГц. Це відбувається тому, що при одній і тій же частоті Pentium виконує вдвічі більше команд, ніж процесор 486. Процесори Pentium II і III приблизно на 50% швидше процесора Pentium, що працюють на тій самій частоті, тому що вони можуть виконувати значно більше команд протягом тієї ж кількості циклів.

В процесорах, більш сучасних, ніж Pentium III, порівнювати швидкість ще складніше, так як сама архітектура робить одні процесори ефективніше інших. Ця ефективність і визначає можливості процесорів, що працюють на різних тактових частотах. Чим менше ефективність одного циклу, тим більшу тактову частоту повинен мати процесор для підтримки однакової швидкодії (і навпаки).

Один з найбільш значущих чинників, що впливають на продуктивність, – кількість стадій внутрішнього конвеєра процесора. Чим більше стадій, тим ефективніше інструкції поділяються на етапи, що дозволяє досягти більш високої тактової частоти при використанні однієї і тієї ж технології виробництва. Проте це також призводить і до зменшення кількості інструкцій, що виконуються за один такт, в порівнянні з процесорами з більш коротким конвеєром. Таким чином, якщо порівняти процесор Intel Core І7 або AMD Phenom з Pentium 4, що працюють на одній частоті, Core І7 і Phenom за один такт виконують більше інструкцій.

Хоча з точки зору ефективності виконання інструкцій збільшення стадій конвеєра є недоліком, процесори з «довгим» конвеєром можуть працювати на більшій частоті при тій самій технології виробництва. Тому, незважаючи на меншу ефективність «довгого» конвеєра, його використання виправдане, оскільки дозволяє досягти більш високих тактових частот. «Довгий» 20 - або 31-стадійний конвеєр архітектури Р4 дозволив значно поліпшити частотний потенціал в порівнянні з іншими процесорами того часу. Наприклад, вироблений за 0,13 - мікронної технології Pentium 4 працював на частотах до 3,4 Ггц, в той час як Athlon ХР, що випускається в той же час, зміг досягти лише частоти 2,2 Ггц (модель 3200 +). І хоча Pentium 4 виконував менше інструкцій за кожен цикл, більш висока тактова частота компенсувала втрату ефективності - вона просто компенсувала неефективне виконання інструкцій.

На жаль, поєднання «довгого» конвеєра і високої тактової частоти не найкращим чином позначалися на енергоспоживанні, а значить, і на виділенні тепла. Очевидно, що високе енергоспоживання є найсерйознішим недоліком архітектури, тому Intel не залишалося нічого іншого, як перейти на нову, у багатьох відношеннях революційну мікропроцесорну архітектуру Core. Замість того щоб продовжувати нарощувати тактові частоти, було вирішено збільшити продуктивність, об’єднавши кілька процесорів на одному кристалі, тим самим значно підвищивши ефективність виконання операцій. Таким чином і було дано поштовх до розвитку багатоядерної процесорної архітектури.

З усього вищесказаного випливає один абсолютно ясний висновок – «гола» тактова частота не є хорошим показником для порівняння процесорів, якщо тільки вони не відносяться до одного сімейства і моделі.

Для забезпечення більш-менш об’єктивного тестування різних процесорів, що працюють на різних частотах, Intel розробила цілий ряд спеціальних тестів, що одержали назву індекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Всього було випущено три версії даного набору тестів - iCOMP, iCOMP 2.0 і iCOMP 3.0.

В даний час компанії Intel і AMD використовують для індексації процесорів комерційні набори еталонних тестів Варса SYSmark. Це прикладний набір тестів, в основі якого лежить використання популярних офісних додатків. Цей набір використовується багатьма компаніями для тестування і порівняння цілих систем або їх компонентів. SYSmark - набагато більш сучасний і «реальний» набір тестів, ніж ІСОМР, раніше застосовуваний Intel, а оскільки він доступний кожному, результати завжди можуть бути перевірені незалежно.

Однак важливо відзначити, що значення отримані для готових систем і залежать від таких факторів, як точна версія процесора, материнська плата і набір мікросхем, обсяг встановленої пам’яті і її тип, швидкодія жорсткого диска, а також від інших характеристик.

Контрольні запитання

1. Що таке шина адреси?

2. Що таке шина даних?

3. Що таке шина регістри процесорa?

4. У чому вимірюється швидкодія процесора?

Тема. КЕШ-ПАМ’ЯТЬ

1. Кеш-пам’ять

Кеш-пам’ять це швидкодіючий буфер пам’яті, що використовується для тимчасового зберігання даних, які можуть знадобитися процесору. Це дозволяє отримувати необхідні дані швидше, ніж при вилученні з оперативної пам’яті. Однією з додаткових властивостей, що відрізняють кеш-пам’ять від звичайного буферу, є вбудовані логічні функції. Кеш пам’ять можна назвати «розумним» буфером.

Буфер містить випадкові дані, які зазвичай обробляються за принципом «першим отриманий, першим виданий» або «першим отриманий, останнім виданий». Кеш-пам’ять, містить дані, які можуть знадобитись процесору з певним ступенем ймовірності. Це дозволяє процесору працювати практично з повною швидкістю, без очікування даних отриманих з більш повільної оперативної пам’яті. Кеш-пам’ять реалізована у вигляді мікросхем статичної оперативної пам’яті (SRAM), встановлених на системній платі або інтегрованих в процесор.

У сучасних ПК використовуються два рівні кеш-пам’яті, що отримали назву кеш-пам’ять першого рівня (L1) і кеш-пам’ять другого (L2) рівня. У деяких процесорах застосовується кеш-пам’ять третього рівня - L3, проте такі випадки рідкісні.

2. Внутрішня кеш-пам’ять першого рівня

У процесорах, починаючи з 486-го є вбудований кеш-контролер з кеш-пам’яттю об’ємом 8 Кбайт.

Щоб зрозуміти значення кеш-пам’яті, необхідно порівняти відносні швидкості процесорів і ОЗП. Основна проблема полягає в тому, що швидкодія процесора виражається звичайно в мега- або гігагерцах (в мільйонах або мільярдах тактів в секунду), у той час як швидкість пам’яті виражається в наносекундах (тобто в мільярдних частках секунди). Зазвичай сучасні типи пам’яті виражають свою швидкодію в мегагерцах, а пропускну спроможність – в мегабайтах за секунду.

Тактова частота процесора 233 МГц відповідає циклу тривалістю 4,3 нс. Це означає, що для процесора, що працює на частоті 200 МГц, потрібно пам’ять з часом доступу 4 нс. Зверніть увагу на те, що з процесором, який працює на частоті 233 МГц, зазвичай використовується системна плата з тактовою частотою 66 МГц, що відповідає швидкості 15 нс. на цикл. Основна пам’ять, швидкість якої дорівнює 60 нс. (загальний параметр практично для всіх систем класу Pentium), прирівнюється до тактовій частоті, приблизно рівної 16 МГц. Таким чином, в типову систему Pentium 233 входять процесор, що працює на частоті 233 МГц (4,3 нс. на цикл), системна плата, тактова частота якої - 66 МГц (15 нс. на цикл), і основна пам’ять, що працює на частоті 16 МГц (60 нс на цикл). Цей приклад може здатися застарілим, проте він полегшить виклад матеріалу, присвяченого роботі кеш-пам’яті.

Оскільки кеш-пам’ять першого рівня завжди інтегрована в ядро процесора, вона працює на його частоті, в той час як зовнішня пам’ять працює на частоті шини даних материнської плати, яка значно нижча. У цьому швидкодіючому кеші зберігається поточний робочий набір даних та інструкцій. Для доступу до кеш-пам’яті не потрібні цикли очікування, оскільки вона працює на тій же частоті, що і процесор.

Використання кеш-пам’яті згладжує недолік комп’ютера – що оперативна пам’ять працює більш повільно, ніж центральний процесор. Завдяки кеш-пам’яті процесору не доводиться чекати, поки чергова порція програмного коду або даних надійде з відносно повільної основної пам’яті, що призводить до відчутного підвищення продуктивності.

У сучасних процесорах вбудований кеш грає ще важливішу роль, оскільки часто є єдиним типом пам’яті у всій системі, який може працювати синхронно з процесором. У більшості сучасних процесорів використовується домноження тактової частоти, тобто вони працюють на частоті, яка в кілька разів перевищує тактову частоту системної плати, до якої вони підключені.

Наприклад, частота процесора Core 2 Quad (2,4 ГГц) в 9 разів більше частоти кварцового генератора системної плати, що становить 266 МГц, і в 2,25 рази більше частоти системної шини (1066 МГц). Основна пам’ять в такій системі зазвичай працює на частоті 667 або 800 МГц. На частоті 2,4 ГГц працює тільки кеш-пам’ять першого і другого рівнів, яка вбудована в ядро процесора. У даному випадку процесор Core 2 Quad, що працює на частоті 2,4 ГГц, має 128 Кбайт інтегрованої кеш-пам’яті першого рівня (по 32 Кбайт на ядро) і 8 Мбайт кеш-пам’яті другого рівня (по 2 Мбайт на ядро). Кеш-пам’ять обох рівнів працює на повній частоті ядра процесора.

Якщо дані, необхідні процесору, знаходяться вже у внутрішній кеш-пам’яті, то затримок не виникає. В іншому випадку центральний процесор повинен отримувати дані з кеш-пам’яті другого рівня або (у менш складних системах) з системної шини, тобто безпосередньо з основної пам’яті.

3. Як працює кеш-пам’ять

Для того щоб розібратися в принципах роботи кеш-пам’яті першого і другого рівнів, вдамося до аналогії

Герой нашої історії (в даному випадку - ви), коштуючи різні страви, виступає в ролі процесора, який витягає необхідні дані з пам’яті і проводить їх обробку. Кухня, на якій готуються ваші улюблені страви, являє собою основну оперативну пам’ять (модулі DIMM DDR, DDR2 або DDR3). Офіціант це кеш-контролер, а стіл, за яким ви сидите – кеш-пам’ять першого рівня. Роль кешпам’яті другого рівня грає візок із замовленими блюдами, що неспішно мандрує між кухнею і вашим столом. Щодня приблизно в один і той же час ви обідаєте в певному ресторані. Заходите в обідній зал, сідаєте за столик і замовляєте, наприклад, хот-дог. Припустимо, що середня швидкість поглинання їжі дорівнює одному біту в чотири секунди (цикл процесора 233 МГц становить близько 4 нс.). А також визначимо, що кухні для приготування кожного замовленої страви потрібно 60 с (значить, швидкість основної пам’яті - 60 нс.).

Отже, при першому відвідуванні ресторану ви сідаєте за столик і замовляєте хот-дог, після чого доводиться чекати цілих 60 секунд, поки приготують замовлену страву. Коли офіціант нарешті приносить замовлення, ви, не поспішаючи, з середньою швидкістю, беретеся за їжу. Доївши хот-дог, кличе до себе офіціанта і замовляєте гамбургер. Поки його готують, ви знову чекаєте ті ж 60 секунд. Принесений гамбургер з’їдається з тією ж швидкістю. Підібравши останні крихти, ви знову кличете офіціанта і замовляєте вже котлети «по-київськи». Після 60-секундного очікування принесене блюдо з’їдається з аналогічною швидкістю. Потім ви вирішуєте замовити на десерт, скажімо, яблучний пиріг. Замовлений пиріг ви отримуєте після 60-секундного очікування. Одним словом, обід складається з тривалих очікувань, які перемежовуються енергійним поглинанням замовлених страв.

Після того як два дні поспіль рівно в 18.00 ви приходите в ресторан і замовляєте одні й ті ж страви в тій же послідовності, в офіціанта з’являється думка: «Сьогодні в 18.00 знову з’явиться цей дивний відвідувач і зробить свій звичайний замовлення: хот-дог, гамбургер, котлети «по- київськи» та яблучний пиріг на десерт. Чому б не приготувати ці страви заздалегідь». Отже, ви приходите до ресторану, замовляєте хот-дог, і офіціант відразу ж ставить перед вами замовлену страву. Після того як ви розправилися з хот-догом і збиралися замовити чергове блюдо, на столі з’являється тарілка з гамбургером. Залишилося частина обіду проходить приблизно так само. Ви стрімко, зі швидкістю один біт в чотири секунди, поглинаєте їжу, не чекаючи, поки замовлену страву буде приготовлено на кухні. Цього разу весь час обіду займе виключно ретельне пережовування їжі, і все завдяки кмітливості і практичному підходу офіціанта.

Наведений приклад досить точно описує роботу кеш-пам’яті першого рівня в процесорі. Роль кеш-пам’яті першого рівня в даному випадку відіграє піднос, на якому може знаходитися одне або кілька страв. За відсутності офіціанта простір підноса являє собою якийсь резервний запас (тобто буфер) продуктів харчування. Якщо буфер заповнений, значить, можна їсти доти, поки піднос не спорожніє. Обдумано поповнити його вміст, неможливо. Офіціант являє собою кеш-контролер, який приймає певні заходи щоб вирішити, які ж страви слід заздалегідь поставити на стіл відповідно до ваших можливих вподобань. Подібно кеш-контролеру, офіціант скористається своїм досвідом щоб визначити, яка страва буде замовлена наступною. Якщо він визначить правильно, значить, не доведеться довго чекати.

Настав четвертий день. Ви з’являєтеся в ресторані, зазвичай, рівно в 18.00 і починаєте з звичного хот-дога. Офіціант, що вивчив до того часу ваші смаки, вже приготував хот-дог, і ви відразу ж, не чекаючи, приступаєте до трапези.

Після хот-дога офіціант приносить вам гамбургер і замість слів подяки чує: «Взагалі, я гамбургер не замовляв. Принесіть мені, будь ласка, відбивну». Офіціант помилився у своїх припущеннях, і вам знову доведеться чекати цілих 60 секунд, поки на кухні приготують замовлену страву. Подібна подія, тобто спроба доступу до тієї частини кешованого файлу, яка відсутня в кеш-пам’яті, називається промахом кеша (cache miss). Як наслідок, виникає пауза. Якщо говорити про систему Pentium 233 МГц, то при кожному промаху кеша швидкодія системи знижується до 16 МГц (тобто до швидкості оперативної пам’яті).

Кеш-пам’ять першого рівня більшості процесорів Intel має коефіцієнт збігу, що дорівнює приблизно 90%. Це означає, що кеш-пам’ять містить коректні дані 90% часу, а отже, процесор працює на повній швидкості (в даному випадку з частотою 233 МГц) приблизно 90% всього часу. Решта 10% часу кеш-контролер звертається до більш повільної основної пам’яті, під час чого процесор знаходиться в стані очікування. Фактично відбувається зниження швидкодії системи до рівня оперативної пам’яті, швидкість якої дорівнює 60 нс, або 16 МГц.

У нашому прикладі швидкодія процесора приблизно в 14 разів вище за швидкість оперативної пам’яті. У сучасних системах швидкість пам’яті збільшилася з 16 МГц (60 нс) до 333 МГц (3,0 нс), тоді як тактова частота процесорів виросла до 3 ГГц і більше, тобто пам’ять все ще в 7,5 разів (і більше) повільніша від процесора. Кеш-пам’ять дозволяє компенсувати цю різницю.

Основна особливість кеш-пам’яті першого рівня полягає в тому, що вона завжди інтегрована в ядро процесора і працює на тій самій частоті. Це властивість у поєднанні з коефіцієнтом збігів, рівним 90%, робить кеш-пам’ять важливою складовою ефективності системи.

4. Кеш-пам’ять другого рівня

Для того щоб зменшити двідчутне уповільнення системи, що виникає внаслідок промахів кешу, слід звернутися до кеш-пам’яті другого рівня

звиваючи аналогію з рестораном, можна позначити кеш-пам’ять L2 як столик сервіровки з «черговими» стравами, розташування якого дозволяє офіціантові принести кожне з наявних блюд через 15 секунд. У системі класу Pentium (Socket 7) кеш-пам’ять другого рівня встановлена на системній платі, тобто працює на тактовій частоті системної плати (66 МГц, або 15). Розглянемо ситуацію, коли ви замовляєте страву, якої немає в числі раніше принесених. У цьому випадку, замість того, щоб відправитися на кухню і через 60 секунд принести приготовану страву, офіціант в першу чергу перевіряє столик з черговими стравами. При наявності там замовленої страви він повертається вже через 15 секунд. Результат в реальній системі виражається в наступному: замість зниження швидкодії системи з 233 до 16 МГц і відповідно швидкості основної пам’яті до 60 нс. відбувається витяг необхідних даних з кеш-пам’яті другого рівня, швидкість якої дорівнює 15 нс. (66 МГц). Таким чином, швидкодію системи змінюється з 233 до 66 МГц.

Всі сучасні процесори містять вбудовану кеш-пам’ять другого рівня, яка працює на тій самій швидкості, що і ядро процесора, причому швидкості кеш-пам’яті першого і другого рівнів однакові. Якщо описувати нові мікросхеми за допомогою аналогій, то в цьому випадку офіціант розміщує столик з черговими стравами поряд з тим столиком, за яким сидите ви. При цьому, якщо замовленої страви на вашому столі немає (промах кеш-пам’яті першого рівня), офіціантові всього лише необхідно дотягнутися до столика з черговими стравами який стоїть поруч (кеш-пам’ять другого рівня), що вимагає набагато менше часу, ніж 15-секундна прогулянка на кухню, як це було в більш ранніх схемах.

1. Кеш-пам’ять

5. Кеш-пам’ять третього рівня

які процесори, зазвичай ті, що призначені для високопродуктивних ігрових або серверних систем, містять кеш-пам’ять третього рівня L3. Раніше кеш-пам’яттю L3 оснащувалося обмежена кількість моделей, проте вона знаходить широке застосування в сучасних і швидких багатоядерних процесорах, таких як Intel Core і AMD Phenom.

Розвиваючи аналогію з рестораном, яка використовувалася для пояснення роботи кеш-пам’яті першого і другого рівнів, можна позначити кеш-пам’ять L3 як столик з додатковими стравами. Якщо потрібного страви немає на перших двох столах, ймовірно, його можна буде знайти на третьому столі.

Кеш-пам’ять L3 є дуже корисною для багатоядерних процесорів, де, як правило, спільно використовується всіма ядрами. Згідно із сучасними тенденціями, наявність кеш-пам’яті L3 скоро буде характерно і для моделей процесорів, призначених для масового ринку

Контрольні запитання

1. Для чого призначена кеш-пам’ять

2. Опишіть кеш-па’ять першого рівня (L1).

3. Опишіть кеш-па’ять другого рівня (L2).

4. Опишіть кеш-па’ять третього рівня (L3).

Тема. ФУНКЦІЇ ПРОЦЕСОРА

1. Режим управління системою (SMM)

З появою нових процесорів їх архітектура доповнюється новими можливостями, які дозволяють підвищити не лише ефективність виконання тих чи інших додатків, але і надійність центрального процесора в цілому.

Поставивши за мету створювати все більш швидкі і потужні процесори для портативних комп’ютерів, компанії Intel і AMD на початку 1990-х років почали впроваджувати у свої процесори режим управління системою. Цей режим дозволяє процесорам керувати на низькому рівні системи енергопостачання. Система SMM пропонує ізольоване середовище програмування, відкриту для операційної системи і прикладних програм; вона призначена для використання системної BIOS і драйверами пристроїв.

Режим SMM був реалізований в мобільному процесорі 386SL в жовтні 1990 року. Пізніше цей режим був запроваджений в процесори 486SL, а починаючи з червня 1993 року став використовуватися у всіх процесорах серії 486. Компанія AMD приблизно в той же час впровадила систему SMM в свої процесори Аm486 і К5. З цього моменту всі процесори, що надходять на ринок, включали в себе систему SMM.

Режим SMM викликається за допомогою подачі сигналу на спеціальний вихід процесора, який генерує переривання управління системою (System Management Interrupt - SMI) немасковане переривання з найвищим доступним пріоритетом. При запуску системи SMM поточний стан процесора і програм що виконуються зберігається. Після цього процесор перемикається у спеціально виділений адресний простір і виконує код SMM абсолютно прозоро для перерваної програми та іншого програмного забезпечення системи. Після завершення виконання коду SMM відновлюється раніше збережений стан процесора та перерваних програм і процесор продовжує роботу з тієї точки, в якій зупинився.

Незважаючи на те що система SMM спочатку використовувалася тільки для управління електроживленням, вона призначена і для використання будьякої низкорівневої системної функції, якій необхідна робота, яка незалежна від операційної системи та іншого програмного забезпечення комп’ютера. У сучасних системах це такі функції:

■ функції управління електроживленням ACPI і АРМ;

■ підтримка портом USB старих пристроїв (клавіатура і миша);

■ завантаження з пристроїв USB (емуляція пристроїв);

■ функції захисту паролем;

■ моніторинг температури;

■ моніторинг швидкості вентилятора;

■ читання / запис CMOS ОЗП;

v■ оновлення BIOS;

■ протоколювання помилок ЕСС пам’яті;

■ протоколювання помилок інших пристроїв;

■ функції включення комп’ютера при виникненні подій (наприклад, Wake On Lan).

Систему SMM можна побачити в роботі при її спробі отримати доступ до периферійного пристрою, яке раніше було переведено в режим енергозбереження. Припустимо, що деяка програма виконала спробу читання файлу з жорсткого диска, який з метою енергозбереження раніше був припинений. При отриманні такого запиту контролер диску генерує переривання SMI, щоб включити систему SMM. Після цього програмне забезпечення SMI подає команди розкрутки жорсткого диска і приводить його в стан готовності. Потім управління повертається операційній системі, і завантаження файлу з диска починається так, ніби робота диска не призупинялась.

2. Суперскалярне виконання

У процесорах Pentium п’ятого і наступних поколінь вбудовано ряд внутрішніх конвеєрів, які можуть виконувати декілька команд одночасно. Процесор 486 і всі попередні протягом певного часу могли виконувати тільки одну команду. Технологія одночасного виконання декількох команд називається суперскалярною.

Суперскалярна архітектура зазвичай асоціюється з процесорами RISC (Reduced Instruction Set Computer - комп’ютер із спрощеною системою команд). Процесор Pentium одна з перших мікросхем CISC (Complex Instruction Set Computer - комп’ютер з складною системою команд), в якій застосовується суперскалярна технологія, яка реалізована у всіх процесорах п’ятого і наступних поколінь.

Розглянемо на прикладі установки

електричної лампочки інструкції CISC.

1. Візьміть електричну лампочку.

2. Вставте її в патрон.

3. Повертайте її за годинниковою стрілкою до відмови.

І аналогічний приклад у вигляді інструкцій RISC.

1. Піднесіть руку до лампочки.

2. Візьміть лампочку

3. Підніміть руку до патрона.

4. Вставте лампочку в патрон.

5. Поверніть її за годинниковою стрілкою.

6. Лампочка ще повертається в патроні? Якщо так, то перейти до п. 5.

7. Кінець.

Багато інструкції RISC досить прості, тому для виконання будь-якої операції буде потрібно більше таких інструкцій. Їх основна перевага полягає в тому, що процесор здійснює менше операцій, а це, як правило, скорочує час виконання окремих команд і, відповідно, всієї задачі (програми). Можна довго сперечатися про те, що ж насправді краще - RISC або CISC, хоча такого поняття, як «чиста» мікросхема RISC або CISC, не існує. Подібна класифікація - не більше ніж питання термінології.

Процесори Intel та сумісні з ними можна визначити як мікросхеми CISC. Незважаючи на це, процесори п’ятого і шостого поколінь володіють різними атрибутами RISC і розбивають під час роботи команди CISC на простіші інструкції RISC.

3. Технологія ММХ)

Залежно від контексту ММХ може означати «multi-media extensions» (мультимедійні розширення) або «matrix math extensions» (матричні математичні розширення). Технологія ММХ використовувалася в старих моделях процесорів Pentium п’ятого покоління як розширення, завдяки якому прискорюється компресія/декомпресія відеоданих, маніпулювання зображенням, шифрування і виконання операцій введення-виведення, тобто майже всі операції, які використовуються в багатьох сучасних програмах.

В архітектурі процесорів ММХ є два основні вдосконалення. Перше, фундаментальне, полягає в тому, що всі мікросхеми ММХ мають більший внутрішній вбудований кеш першого рівня, ніж їх «побратими», які не використовують цю технологію. Це підвищує ефективність виконання кожної програми і всього програмного забезпечення, незалежно від того, чи використовує воно фактично команди ММХ.

Іншим вдосконаленням ММХ є розширення набору команд процесора 57 новими командами, а також введення нової можливості виконання команд,так званої одиночний потік команд - множинний потік даних (Single Instruction - Multiple Data, SIMD).

У сучасних мультимедійних та мережевих додатках часто використовуються цикли; хоча вони займають близько 10% (або навіть менше) обсягу повного коду програми, на їх виконання може піти до 90% загального часу виконання. Технологія SIMD дозволяє одній команді здійснювати одну й ту ж операцію над декількома даними, подібно тому, як викладач, читаючи лекцію, звертається до всієї аудиторії, а не до кожного студента окремо. Застосування SIMD дозволяє прискорити виконання циклів при обробці графічних, анімаційних, відео- та аудіофайлів; інакше ці цикли віднімали б час у процесора.

Компанією Intel було додано п’ятдесят сім нових команд, спеціально розроблених для ефективнішої обробки звукових, графічних і відеоданих. Ці команди призначені для виконання з високим ступенем паралелізму послідовностей, які часто зустрічаються при роботі мультимедійних програм. Високий ступінь паралелізму в даному випадку означає, що одні й ті ж алгоритми застосовуються до багатьох даних, наприклад до даних в різних точках при зміні графічного зображення.

Компанії AMD і Cyrix ліцензували у Intel технологію ММХ і реалізували її у власних процесорах.

3.1. Інструкції SSE

У лютому 1999 року компанія Intel представила громадськості процесор Pentium III, що містить оновлення технології ММХ, що отримала назву SSE (Streaming SIMD Extensions - потокові розширення SIMD). До цього моменту інструкції SSE називалися Katmai New Instructions (KNI), так як спочатку вони були включені в процесор Pentium III з кодовою назвою Katmai. Процесори Celeron 533А і вище, створені на основі ядра Pentium III, теж підтримують інструкції SSE. Більш ранні версії процесора Pentium II, а також Celeron 533 і нижче (створені на основі ядра Pentium II) SSE не підтримують.

Інструкції SSE містять сімдесят нових команд для роботи з графікою і звуком на додаток до існуючих команд ММХ. Фактично цей набір інструкцій, окрім назви KNI, мав ще й другу назву - ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з плаваючою комою, що реалізуються в окремому модулі процесора. У технологіях ММХ для цього використовувався стандартний пристрій з плаваючою комою.

Інструкції SSE2, що містять сто сорок чотири додаткові команди SIMD, були представлені в листопаді 2000 року разом з процесором Pentium 4. У SSE2 були включені всі інструкції попередніх наборів ММХ і SSE.

Інструкції SSE3 були представлені в лютому 2004 року разом з процесором Pentium 4 Prescott; вони додають тринадцять команд SIMD, призначених для прискорення виконання складних математичних операцій, обробки графіки, кодування відео і синхронізації потоків даних. Інструкції SSE3 також містять всі інструкції ММХ, SSE і SSE2.

Додаткові інструкції SSSE3 (Supplemental SSE3) були представлені громадськості в червні 2006 року в процесорах серії Хеоn 5100 і в липні того ж року в процесорах Core 2. У цей набір були включені ще тридцять дві додаткові команди.

Набір розширень SSE4 (який компанія Intel назвала HD Boost) в який увійшло ще п’ятдесят додаткових команд, був представлений в січні 2008 в процесорах Intel Core 2 (SSE4.1), а потім був оновлений в листопаді 2008 року, коли були представлені процесори Core І7 (SSE4.2). Всього SSE4 містить 54 інструкції, з яких 47 відносяться до SSE4.1, а всі 54 - до SSE4.2.

Незважаючи на те що компанія AMD запозичила набори інструкцій SSE3 і більш ранні версії минулого, замість того, щоб запозичувати набір SSE4, вона створила другий набір, що містить всього чотири інструкції та отримав назву SSE4a. Компанія AMD також анонсувала роботу над набором з 170 інструкцій, який отримав назву SSE5, незважаючи на те, що він містить всього декілька інструкцій з набору Intel SSE4. Все це означає, що після SSE3 компанія AMD відмовилася від 100%-ої сумісності її продуктів з рішеннями Intel, що в майбутньому може привести до певних складнощів для програмістів.

Потокові розширення SIMD (SSE) містять ряд нових команд для виконання операцій з плаваючою комою і цілими числами, а також команди управління кеш-пам’яттю. Нові технології SSE дозволяють ефективніше працювати з тривимірною графікою, потоками аудіо- і відеоданих (DVDвідтворення), а також додатками розпізнавання мови. В цілому SSE забезпечує наступні переваги:

■ більш високий розширення / якість при перегляді і обробці графічних зображень;

■ покращена якість відтворення аудіо- і відеофайлів у форматі MPEG2, а також одночасне кодування і декодування формату MPEG2 в мультимедійних додатках;

■ зменшення завантаження процесора і підвищення точності / швидкості реагування при виконанні програмного забезпечення для розпізнавання мови.

Інструкції SSEх особливо ефективні при декодуванні файлів формату MPEG2, який є стандартом стиснення аудіо- та відеоданих, що використовуються в DVD. Отже, процесори, оснащені SSE, дозволяють досягти максимальної швидкості декодування MPEG2 без використання додаткових апаратних засобів (наприклад, плати декодера MPEG2). Крім того, процесори, що містять набір інструкцій SSE, значно перевершують попередні версії процесорів в операціях розпізнавання мови.

Одним з основних переваг SSE в порівнянні з ММХ є підтримка операцій SIMD з плаваючою комою, що дуже важливо при обробці тривимірних графічних зображень. Технологія SIMD, як і ММХ, дозволяє виконувати відразу декілька операцій при отриманні процесором однієї команди. Зокрема, SSE підтримує виконання до чотирьох операцій з плаваючою комою за цикл; одна інструкція може одночасно обробляти чотири блоки даних. Для виконання операцій з плаваючою комою інструкції SSE можуть використовуватися разом з командами ММХ без помітного зниження швидкодії. SSE також підтримує попереджуючу вибірку даних, яка являє собою механізм попереднього зчитування даних з кеш-пам’яті.

Найкращі результати застосування нових інструкцій процесора забезпечуються тільки за їхньої підтримки на рівні використовуваних додатків. Сьогодні більшість компаній, що займаються розробкою програмного забезпечення, модифікували додатки, пов’язані з обробкою графіки і звуку, що дозволило в більш повній мірі використовувати можливості SSE. Наприклад, графічний додаток Adobe Photoshop підтримує інструкції SSE, що значно підвищує ефективність використання процесорів, оснащених SSE. Підтримка інструкцій SSE вбудована в DirectX 6.1 і в самі останні відео- і аудіо драйвери.

3.2. 3DNow!

Технологія 3DNow! розроблена компанією AMD у відповідь на реалізацію підтримки інструкцій SSE в процесорах Intel. Вперше (травень 1998 року) 3DNow! реалізована в процесорах AMD К6 ще до реалізації SSE в процесорах Pentium III, а подальший розвиток - Enhanced 3Dnow. ця технологія отримала в процесорах Athlon і Duron. Нова технологія 3DNow! Professional вперше з’явилася в процесорах Athlon ХР. Компанія AMD ліцензувала технологію ММХ від Intel і реалізувала повноцінну підтримку інструкцій ММХ в процесорах К6, Athlon і Duron. Не бажаючи додатково ліцензувати інструкції SSE, в компанії AMD розробили новий набір розширень для інструкцій ММХ, що отримав назву 3DNow!. Аналогічно SSE/SSE2, технології 3DNow!, Enhanced 3DNow. і 3DNow! Professional призначені для прискорення обробки тривимірної графіки, мультимедіа та інших інтенсивних обчислень.

Технологія 3DNow! являє собою набір з 21 інструкції SIMD, які оперують масивом даних у вигляді одиничного елементу. У Enhanced 3DNow. до існуючих додані 24 нові інструкції (19 SSE і 5 DSP / комунікаційних інструкцій), що складає в підсумку 45 інструкцій. Будучи розширенням ММХ, технологія 3DNow! надає функціональні можливості, аналогічні інструкціям SSE процесорів Pentium III і Celeron. Згідно з даними компанії AMD, технологія 3DNow! розширює можливості ММХ нарівні з SSE, проте використовує для цього меншу кількість інструкцій і менш складну архітектуру. Технології обробки даних 3DNow!, Enhanced 3DNow. і 3DNow! Professional, хоча і подібні SSE, несумісні на рівні інструкцій, тому виробникам програмного забезпечення необхідно окремо реалізувати їх підтримку.

Остання версія 3DNow! - 3DNow! Professional - додає 51 інструкцію SSE до набору команд 3DNow! Enhanced, завдяки чому процесори AMD повною мірою підтримують всі можливості SSE. У процесори Athlon 64, Athlon 64ХР і 64-розрядні Opteron була додана підтримка інструкцій SSE2, а в 0,09 - мікронні процесори Athlon 64 і в двоядерні Athlon 64 Х2 - підтримка SSE3.

Контрольні запитання

1. Що таке режим управління системою (SMM)?

2. Що таке Суперскалярне виконання?

3.Що означає RISC?

4.Що означає СISC?

5. Що таке інструкції SSE?

Тема. ДИНАМІЧНЕ ВИКОНАННЯ. ТЕХНОЛОГІЯ HYPER-THREADING. БАГАТОЯДЕРНА ТЕХНОЛОГІЯ

1. Динамічне виконання

Цей метод вперше був використаний в мікросхемах Р6 (процесорах шостого покоління). Він дозволяє процесору паралельно обробляти відразу декілька команд, що скорочує час, необхідний для вирішення тієї чи іншої задачі. Це технологічне нововведення включає ряд функцій.

■ Передбачення множинного переходу (розгалуження). Передбачення потоку виконання програми через кілька розгалужень.

■ Аналіз потоку команд. Призначення виконання команд по мірі готовності, незалежно від їх порядку в початковій програмі.

■ Попереджуюче виконання. Збільшення швидкості виконання за рахунок випереджального перегляду лічильника команд і виконання тих інструкцій, до яких, ймовірно, буде потрібно звернутися пізніше.

1.1. Передбачення переходу

Функція передбачення переходу, раніше застосовувалася тільки в універсальних процесорах старших моделей, дозволяє процесору при високошвидкісному виконанні команд зберігати конвеєр заповненим. Спеціальний модуль вибірки/декодування, включений в процесор, використовує високооптимізований алгоритм передбачення переходу, що дозволяє передбачати напрямок і результат команд, виконуваних через кілька рівнів розгалужень, звернень та повернень. Цей модуль нагадує шахіста, який розробляє кілька різних стратегій перед початком шахової партії, пророкуючи відповідь дії противника на кілька ходів вперед. Завдяки передрікання результатів виконання команди інструкції можуть виконуватися практично без затримок.

1.2. Аналіз потоку команд

Функція аналізу потоку команд використовується для дослідження потоку даних, що проходять через процесор, і виявлення будь-яких можливостей виконання команди із зміною заданої раніше послідовності. Спеціальний процесорний модуль відправлення/виконання контролює команди і дозволяє виконувати їх у такому порядку, який оптимізує використання модулів множинного суперскалярного виконання. Можливість змінювати послідовність виконання команд дозволяє зберегти зайнятість модулів навіть у випадку промаху кеш-пам’яті або обробки будь-яких інформаційнозалежних команд.

1.3. Попереджуюче виконання

Здатність процесора виконувати команди за допомогою випереджаючого перегляду існуючого лічильника команд називається випереджувальним виконанням. Модуль відправки/виконання, включений в процесор, аналізує потік даних для виконання всіх існуючих в буфері (накопичувачі) команд, і збереження результатів у буферних регістрах. Після цього модуль вилучення аналізує вміст пулу команд на предмет наявності завершених команд, що не залежать від даних, одержуваних при виконанні інших команд, або команд, що мають недозволені передбачення переходу. Результати виконання виявлених завершених команд передаються в пам’ять модулем вилучення або відповідної стандартної архітектурою Intel в тому порядку, в якому вони були отримані. Потім команди видаляються з буфера.

По суті, динамічне виконання усуває залежність від лінійної послідовності команд. Виконання команд із зміною їх послідовності дозволяє максимально завантажити модуль виконання і скоротити час очікування, необхідний для отримання даних з пам’яті. Незважаючи на те що порядок передбачення і виконання команд може бути змінений, їх результати передаються у вихідному порядку, для того щоб не переривати і не змінювати хід програми. Це дозволяє процесорам Р6 виконувати програми, оптимізовані для архітектури Intel, точно так само, як це робили Р5 (Pentium) або процесори більш ранніх версій, але на цілий порядок швидше.

2. Архітектура подвійної незалежної шини

Ця архітектура (Dual Independent Bus - DIB) вперше була реалізована в процесорі шостого покоління і призначалася для збільшення пропускної здатності шини процесора і підвищення продуктивності. За наявності двох незалежних шин даних для введення-виведення процесор отримує доступ до даних з будь-якої з них одночасно і паралельно, а не послідовно, як у системі з одного шиною. Основна шина реалізує інтерфейс процесора і материнської плати або набору мікросхем системної логіки. Друга, або фонова, вхідна шина процесора з DIB застосовується кеш-пам’яттю другого рівня, тому вона може працювати значно швидше, ніж у тому випадку, якби їй довелося використовувати (спільно з процесором) основну шину.

В архітектурі DIB передбачено дві шини: шина кеш-пам’яті другого рівня і шина, що з’єднує процесор і основну пам’ять (FSB). Процесори шостого покоління, від Pentium Pro до Core 2 і Athlon 64, можуть використовувати обидві шини одночасно, завдяки чому знижується критичність такого параметра, як пропускна здатність шини. Завдяки архітектурі подвійної шини кеш-пам’ять другого рівня більш сучасних процесорів може працювати на повній швидкості в ядрі процесора на незалежній шині, використовуючи при цьому основну шину центрального процесора (FSB) для обробки поточних даних, що надходять на мікросхему і відправляються нею. Шини працюють з різними тактовими частотами. Шина FSB, або головна шина центрального процесора, з’єднана з системною платою, а шина кеш-пам’яті другого рівня – безпосередньо з ядром процесора. При збільшенні робочої частоти процесора збільшується і тактова частота кеш-пам’яті другого рівня.

Для реалізації архітектури DIB кеш-пам’ять другого рівня переміщена з системної плати в один корпус з процесором, що дозволило наблизити швидкодію кеш-пам’яті другого рівня до швидкодії вбудованої кеш-пам’яті, яка значно перевершує швидкодію пам’яті, що поміщається на системну плату

Архітектура DIB також дозволяє системній шині виконувати одночасно кілька транзакцій (а не одну послідовність транзакцій), завдяки чому прискорюється потік інформації в системі і підвищується ефективність. Всі засоби DIB підвищують пропускну спроможність майже в три рази в порівнянні з процесором, що має архітектуру одиночної шини.

3. Технологія Hyper-Threading

Всі сучасні операційні системи повною мірою підтримують комп’ютери з двома або більше встановленими фізичними процесорами, що дають подібним системам великий приріст продуктивності в порівнянні з однопроцесорними комп’ютерами. Проте двопроцесорні комп’ютери і системні плати завжди були на порядок дорожчими за їх однопроцесорних «родичів», а додавання другого процесора в систему, що підтримує подібну модернізацію, призводило до виникнення різних складнощів, пов’язаних з підбором однакової тактової частоти і конфігураційних параметрів для двох процесорів. Новітня технологія Hyper-Threading (НТ) компанії Intel дозволяє одному процесору одночасно обробляти два незалежних потоки команд. Іншими словами, НТ перетворює один фізичний процесор в два віртуальниx.

Спочатку технологія НТ була представлена в сімействі серверних процесорів Хеоn в березні 2002 року. Вона дала можливість віртуально вдвічі збільшити кількість процесорів багатопроцесорних серверів. Потім НТ з’явилася в призначених для робочих станцій процесорах Хеоn з тактовою частотою шини 533 МГц, після чого в листопаді 2002 року «дебютувала» в процесорі Pentium 4 з тактовою частотою 3,06 ГГц, орієнтованому на ринок домашніх/офісних ПК. Технологія НТ передувала появі багатоядерних процесорів, тому процесори, що містять кілька фізичних ядер, наприклад Core 2 та Core i Series, не завжди підтримують дану технологію. Все залежить від конкретної версії процесора. Чотирохядерний процесор з підтримкою технології НТ (наприклад, Core i Series) з точки зору операційної системи є восьмиядерним.

3.1. Принцип роботи

Підтримуючий НТ процесор має два набори загальних регістрів, регістри 5 управління та інші системні компоненти. Водночас логічні процесори спільно використовують кеш-пам’ять, обчислювальні блоки та шини даних вводу-виводу. При виконанні програм кожен логічний процесор обробляє один потік (рис.).

Спільне використання процесорних компонентів призводить до того, що швидкодія системи з процесором НТ менше швидкодії систем з двома фізичними процесорами. Однак виконання декількох додатків або одного багатопотокового додатку в системі з процесором НТ демонструє приріст продуктивності приблизно на 25% порівняно із звичайним однопроцесорним комп’ютером.

3.2. Вимоги до використання

Для того щоб мати можливість скористатися перевагами технології НТ, необхідні наступні компоненти.

■ Підтримуюча НТ системна плата (набір мікросхем). Може знадобитися оновлення BIOS.

■ Підтримка BIOS включення / відключення НТ. Якщо технологія Hyper-Threading не підтримується встановленою операційною системою, НТ необхідно відключити засобами BIOS. При включенні підтримки НТ швидкість виконання додатків змінюється в тій чи іншій мірі

■ Сумісна з НТ операційна система, наприклад Windows ХР або Vista. При використанні режиму НТ в програмі Диспетчер пристроїв будуть відображені два процесора.

4. Багатоядерна технологія

Технологія Hyper-Threading лише імітує наявність двох процесорів. Однак якщо навіть імітація декількох процесорів принесла свої плоди, то наявність двох і більше процесорів в одному корпусі ще більше позначиться на продуктивності. Зовні двоядерні процесори виглядають як один; так само вони розглядаються і з точки зору ліцензійної політики компанії Microsoft (зокрема, для операційних систем Windows). Однак насправді в одному корпусі містяться два, чотири, а то й більше повноцінних процесорних ядер. Багатоядерні процесори володіють тими ж перевагами, які дають багатопроцесорні системи, однак коштують істотно дешевше.

У 2005 році компанії AMD і Intel представили свої перші двоядерні процесори. AMD випустила на ринок процесор Athlon 64 Х2, встановлюваний в материнську плату Socket 939, призначену для звичайних одноядерних процесорів Athlon 64 і Athlon ХР. Також AMD представила двоядерні версії процесорів Opteron для серверів і робочих станцій. Першими від компанії Intel стали двоядерні процесори Pentium D і Pentium Extreme Edition. Вони використовували той самий роз’єм Socket 775, що і попередні моделі Pentium 4. У той же час вони вимагали наявності в материнській платі набору мікросхем системної логіки, що підтримують операції з двома ядрами. У листопаді 2006 року компанія Intel представила свої перші чотириядерні процесори Core 2 Extreme QX і Core 2 Quad.

омпанія AMD представила свій перший чотирохядерний процесор, в листопаді 2007 року він мав назву Phenom.

Багатоядерні процесори призначені для користувачів, яким необхідна одночасна робота декількох додатків або які використовують багатопотокові. На рис. показано, як двоядерний процесор обслуговує кілька додатків.

Двоядерний процесор не здатний підвищити продуктивність системи в однозадачному середовищі. Наприклад, якщо ви граєте на комп’ютері в тривимірні ігри, які не підтримують багатопоточність, то, найімовірніше, це єдиний процес, підтримуваний системою в поточний момент. Отже, багатозадачності немає, і отримати переваги від двоядерного процесора не 8 вдасться. З кожним днем все більше виробників комп’ютерних програм починають використовувати розділення потоків.

Контрольні запитання

1. Динамічне виконання це..?

2. Що означає Dual Independent Bus?

3. Яку технологію називають Hyper-Threading?

4. Яку технологію називають багатоядерною?

Тема. ВИРОБНИЦТВО ПРОЦЕСОРІВ

1. Виробництво процесорів

Основним хімічним елементом, який використовується при виробництві процесорів, є кремній.

Щоб використовувати кремній як матеріал для виготовлення мікросхеми, необхідний тривалий технологічний процес, який починається з отримання кристалів чистого кремнію. Сировина, в якості якої використовується в основному кварцова порода, перетворюється в електродугоювих печах в металургійний кремній. Потім для видалення домішок отриманий кремній плавиться, дистилюється і кристалізується у вигляді напівпровідникових злитків з дуже високим ступенем чистоти (99,999999%). Після механічної нарізки злитків отримані заготовки завантажуються в кварцові тиглі і поміщаються в електричні сушильні печі для витяжки кристалів, де плавляться при температурі понад 1400° за Цельсієм. Для того щоб запобігти утворенню домішок, сушильні печі зазвичай встановлюють на товстій бетонній основі. Бетонна основа, в свою чергу, встановлюється на амортизаторах, що дозволяє значно зменшити вібрацію, яка може негативно позначитися на формуванні кристала.

Як тільки заготовка починає плавитися, в розплавлений кремній поміщається невеликий початковий кристал, який повільно обертається (рис.). По мірі віддалення затравочного кристалу від поверхні розплаву слідом за ним витягуються кремнієві нитки, які коли затверднуть утворюють кристалічну структуру. Змінюючи швидкість переміщення затравочного кристалу (10-40 мм на годину) і температуру (приблизно 1400° за Цельсієм), отримують кристал кремнію малого початкового діаметра, який потім нарощують до потрібної величини. Залежно від розмірів виготовлених мікросхем вирощений кристал досягає 20-30 мм в діаметрі і близько 1,5 м в довжину. Вага вирощеного кристала досягає сотень кілограмів.

Заготовка вставляється в циліндр діаметром 200 мм (або 300 мм), часто з плоским вирізом на одній стороні для точності позиціонування і обробки. Потім кожна заготовка розрізається алмазною пилкою більш ніж на тисячу кругових підкладок товщиною менше міліметра (рис.). Після цього підкладка полірується до тих пір, поки її поверхня не стане дзеркально гладкою.

У виробництві мікросхем використовується процес, який носить назву фотолітографія. Технологія цього процесу така: на напівпровідник, який слугує основою чіпа, один за іншим наносяться шари різних матеріалів; так створюються транзистори, електронні схеми і провідники (доріжки), по яких поширюються сигнали. У точках перетину специфічних схем можна створити транзистор або перемикач (вентиль).

Фотолітографічний процес починається з покриття підкладки шаром напівпровідника зі спеціальними добавками, потім цей шар покривається фоторезистивним хімічним складом і поверхня стає світлочутливою на яку проектується зображення мікросхеми.

У результаті додавання до кремнію донорних домішок виходить напівпровідник. Проектор використовує спеціальний фотошаблон, який є, по суті, картою даного конкретного шару мікросхеми. Сучасні процесори містять двадцять і більше шарів напівпровідників і більше шести рівнів міжшарових сполук.

Проходячи через перший фотошаблон, світло фокусується на поверхні підкладки, залишаючи відбиток зображення цього шару. (Кожне зображення на мікросхемі називається кристалом.) Потім спеціальний пристрій трохи переміщає підкладку, а той же фотошаблон (маска) використовується для друку наступної мікросхеми. Після того як мікросхеми будуть віддруковані на всій підкладці, їдкий луг змиває ті області, де світло впливало на фоторезистивну речовину, залишаючи відбитки фотошаблона (маски) конкретного шару мікросхеми та міжшарові з’єднання (з’єднання між шарами), а також шляхи проходження сигналів. Після цього на підкладку наноситься другий шар напівпровідника і знову трохи фоторезистивної речовини поверх нього, потім використовується наступний фотошаблон (маска) для створення чергового шару мікросхеми. Таким способом шари наносяться один поверх іншого до тих пір, поки не буде повністю виготовлена мікросхема (рис.).

Деякі маски додають так званий шар металізації, який використовується для з’єднання всіх транзисторів і інших компонентів. У більшості мікросхем для цього шару використовують алюміній, але останнім часом стали використовувати мідь. Мідь є кращим токопровідним матеріалом, ніж алюміній, і дозволяє створювати менші за розміром міжкомпонентні сполуки, які мають більш низький опір, завдяки чому стає можливою розробка більш швидкодіючих процесорів з зменшеним кристалом. Мідь стала застосовуватися лише порівняно недавно через проблеми з корозією цього металу у виробничому циклі, що не характерно для алюмінієвих схем.

Сьогодні все більшої популярності набуває технологія SOI (silicon on insulator - кремній на ізоляторі), яка приходить на зміну класичній технології CMOS. Очікується, що технологія SOI, яка забезпечує більшу ступінь ізоляції у порівнянні з технологією CMOS, буде ставати все більш і більш популярною.

Коли обробка кругової підкладки завершиться, на ній фотоспособом буде віддруковано максимально можливу кількість мікросхем. Мікросхема зазвичай має форму квадрата або прямокутника, по краях підкладки залишаються деякі вільні ділянки, хоча виробники намагаються використовувати кожен квадратний міліметр поверхні.

Промисловість переживає черговий перехідний період у виробництві мікросхем. Останнім часом спостерігається тенденція до збільшення діаметра підкладки і зменшення загальних розмірів кристала, що виражається в зменшенні габаритів окремих схем і транзисторів, а також відстані між ними.

Після завершення обробки підкладки спеціальний пристрій перевіряє кожну мікросхему на ній і відзначає неякісні, які пізніше будуть відбраковані. Потім мікросхеми вирізаються з підкладки за допомогою високопродуктивного лазера або алмазної пилки.

Коли кристали вже вирізані з підкладок, кожну мікросхему випробовують окремо, упаковують і знову тестують. Процес упаковки називається з’єднанням: після того як кристал поміщається в корпус, спеціальна машина з’єднує найтоншими золотими проводами виходи кристала зі штирями (або контактами) на корпусі мікросхеми. Потім мікросхему упаковують в спеціальний пакет - контейнер, який оберігає її від несприятливих впливів зовнішнього середовища.

Після того як виходи кристала з’єднані зі штирями на корпусі мікросхеми, і мікросхема упакована, виконується заключне тестування, щоб визначити правильність функціонування та номінальна швидкодія. Різні мікросхеми однієї і тієї ж серії часто мають різну швидкодію. Спеціальні тестуючі прилади змушують кожну мікросхему працювати в різних умовах (при різних тисках, температурах і тактових частотах), визначаючи значення параметрів, при яких припиняється її коректне функціонування. Паралельно визначається максимальне швидкодія; після цього мікросхеми упорядковано за швидкодією і розподіляються по приймачах: мікросхеми з близькими параметрами потрапляють в один і той же приймач.

Чим більшим досвідом у створенні процесорів володіє виробник, доводячи до досконалості виробничу лінію збірки мікросхем, тим більше випускається високошвидкісних версій останніх. У результаті з усіх мікросхем на одній підкладці приблизно 75% є високошвидкісними версіями і лише 25% працюють на меншій тактовій частоті. Парадокс полягає в тому, що компанія Intel найчастіше продає набагато більше дешевих низькошвидкісних процесорів за рахунок блокування частоти високопродуктивних мікросхем, які маркуються як процесори з низькою частотою. В результаті деякі користувачі виявили, що багато процесорів можуть працювати на набагато більшій тактовій частоті, ніж на них зазначено, що і призвело до появи такого поняття, як розгін.

2. Перемаркування процесора

Дізнавшись про блокування частоти високопродуктивних мікросхем виробниками, недобросовісні постачальники зайнялися перемаркуванням процесорів з низькою тактовою частотою, видаючи їх за більш швидкі версії. Ціновий розрив між процесорами однієї моделі з різними тактовими частотами може бути істотним і складати сотні доларів, тому зміна всього лише пари цифр на корпусі процесора дозволяє отримати чималі прибутки. Більшість процесорів Intel і AMD володіють великим запасом надійності і можуть без особливих проблем працювати на підвищених частотах. Безумовно, все залежить від того, наскільки процесор спочатку був розігнаний. Якщо перейти критичну межу, система може або працювати з перебоями, або взагалі не працювати.

Перемарковані мікросхеми спочатку створювалися шляхом видалення фабричних позначень і нанесення нових номерів. Подібну підробку було нескладно виявити. Потім в хід пішли створені вручну корпуси процесорів, особливо з роз’ємом Slot 1 і Slot А. Хоча створення пластикового корпусу і заміна їм фабричної оболонки - завдання досить складне, прибутковість подібного заняття привернула чимало зловмисників.

Компанії Intel і AMD вирішили боротися з перемаркуванням процесорів, ввівши захист від розгону у вигляді заблокованого коефіцієнта множення (на цей крок компанії були змушені піти більше десяти років тому). Як правило, блокування коефіцієнта множення здійснюється на етапі корпусування процесорів; після цього змінити коефіцієнт множення вже неможливо. Тому розгін процесора можна здійснювати, лише збільшуючи частоту шини, а значить, це стає справою ентузіастів, але ніяк не привабливим заняттям для шахраїв. Якщо ви точно знаєте, що робити, то завжди зможете змусити працювати процесор на більш високій частоті щодо номіналу, збільшивши частоту шини процесора.

Контрольні запитання

1. Назвіть основний хімічний елемент який використовується при виготовленні процесорів?

2. Назвіть основні етапи виготовлення процесорів.

3. Що означає термін перемаркування процесора?

Тема. КОРПУСИ ПРОЦЕСОРІВ

1. Корпус PGA

Корпус типу PGA донедавна був найпоширенішим. Він використовувався починаючи з 1980 -х років для процесорів 286 і продовжує застосовуватися до цього дня, хоча і не для всіх процесорів. На нижній частині корпусу мікросхеми знаходиться масив штирьків, розташованих у вигляді решітки. Корпус PGA вставляється в гніздо типу ZIF (Zero Insertion Force - нульова сила вставки). Гніздо ZIF має важіль для спрощення процедури установки і видалення чіпа.

Для більшості процесорів Pentium використовується різновид PGA - SPGA (Staggered Pin Grid Array - шахова решітка масиву штирьків), на якій штирі на нижній стороні чіпа розташовані в шаховому порядку, а не в стандартному - по рядках і стовпцях. Це було зроблено для того, щоб ущільнити штирі і зменшити займану мікросхемою площу.

У ранніх версіях корпусу PGA кристал процесора встановлювався лицьовою стороною вниз в спеціальну порожнину, що знаходиться нижче поверхні підкладки. Після цього кристал прикріплювався до корпусу мікросхеми сотнями найтонших золотих проводков, що з’єднують контакти мікросхеми з внутрішніми контактами корпусу. Після виконання провідного з’єднання порожнину корпусу закривали спеціальною металевою кришкою. Подібний спосіб виготовлення мікросхем виявився занадто дорогим і трудомістким, тому були розроблені більш дешеві та ефективні методи упаковки.

Більшість сучасних процесорів збираються в корпусі з матричним розташуванням штирькових виходів на звороті кристала (Flip- Chip Pin Grid Array - FC- PGA). Процесори цього типу все ще встановлюються в роз’єм PGA, але сам корпус став значно простіше. При використанні корпусу FC-PGA необроблений кристал кремнію встановлюється лицьовою стороною вниз на верхню частину підкладки мікросхеми. При цьому дротове з’єднання замінюється акуратною пайкою контактів по периметру кристала. Краї кристала заливаються епоксидною смолою. В оригінальних версіях корпусу FC- PGA користувач може побачити тильну частину необробленого кристала, встановленого в цій мікросхемі.

Існує цілий ряд проблем, пов’язаних із закріпленням радіатора на корпусі мікросхеми FC-PGA. Радіатор «сидить» на верхній частині кристала, який служить його основою. Якщо до однієї зі сторін радіатора під час його установки (наприклад, при приєднанні зажиму) докласти надмірне зусилля, можна розколоти кристал кремнію і пошкодити мікросхему. Оскільки радіатори стають все більші і важчі, збільшується і зусилля, необхідне для їх установки

Компанія AMD спробувала зменшити ймовірність пошкодження, встановивши в корпусі процесора Athlon ХР спеціальні гумові прокладки, що запобігають надмірний нахил радіатора під час установки. На жаль, еластичність використовуваних прокладок не дозволяє повністю уникнути небезпеки пошкодження мікросхеми при установці радіатора.

У компанії Intel була створена нова версія корпусу FC-PGA2, яка використовувалась в більш сучасних процесорах Pentium III і у всіх процесорах Pentium 4. Цей корпус включає в себе спеціальний теплорозподілювач – металеву захисну кришку, розташовану на верхній частині кристала. Ця кришка дозволяє встановлювати великі і досить важкі радіатори, не побоюючись потенційного пошкодження ядра процесора. Перший подібний теплорассеіватель був застосований компанією AMD в своїх процесорах серії К6.

Сімейство процесорів Athlon 64 передбачає дещо інший спосіб кріплення тепловідведення у порівнянні з Athlon ХР. У Athlon 64 тепловідвід закріплюється на спеціальній рамці, яка прикручена до системної плати. Крім того, процесори Athlon 64, Opteron і версії Sempron для Socket 754 оснащені теплорассіювачем який дозволяє встановлювати великі і важкі тепловідводи без загрози пошкодження ядра процесора.

В майбутньому з’явиться корпус, що отримав назву безударна пошарова зборка (Bumpless Build - Up Layer - BBUL), при якій кристал повністю полягає в корпус; фактично стінки корпусу формуються навколо кристала і поверх нього, утворюючи повністю герметичну конструкцію. Корпус подібного типу охоплює кристал мікросхеми, створюючи при цьому плоску поверхню, необхідну для установки радіатора, а також скорочуючи схему внутрішніх з’єднань в корпусі. Цей корпус створюється спеціально для процесорів, які працюватимуть на надвисоких тактових частотах від 20 ГГц

2. Корпуси SEC і SEP

У період з 1997-го по 2000-й рік у компаніях Intel і AMD використовувалися модулі процесорів, які виконані на основі картриджів або плат. Подібна компоновка, звана картриджем з одностороннім контактом (Single Edge Contact Cartridge - SECC) або процесором з одностороннім контактом (Single Edge Processor Package - SEPP), включає в себе центральний процесор і кілька окремих мікросхем кеш-пам’яті другого рівня, зібраних на монтажній платі, які схожі на модулі пам’яті великого розміру і встановлені у відповідний роз’єм. У деяких випадках монтажні плати закривалися спеціальними пластмасовими кришками.

Корпус SEC являє собою новаторську та трохи громіздку конструкцію, що включає в себе робочу шину процесора і зовнішню кеш-пам’яті другого рівня. Цей корпус використовувався як оптимальний метод інтегрування кеш-пам’яті другого рівня в процесор до появи можливості її включення безпосередньо в кристал процесора.

Корпус SEP (Single Edge Processor - корпус з одним процесором) є дешевшим різновидом корпусу SEC. У ньому немає верхньої пластмасової кришки, і може не встановлюватися кеш-пам’ять другого рівня (або ж встановлюється менший об’єм). Корпус SEP вставляється в роз’єм Slot 1. Найчастіше в корпус SEP поміщають недорогі процесори, наприклад Celeron

Роз’єм системної плати Slot 1 має 242 контакти. Корпус SEC або SEP, всередині якого знаходиться процесор, вставляється в Slot 1 і фіксується спеціальною скобою. Іноді є кріплення для системи охолодження процесора.

На рис. показані частини кришки, з яких складається картридж SEC. Зверніть увагу на велику пластину, яка розсіює тепло, що виділяється процесором. Корпус SEP показаний на рис.

Процесор Pentium III упаковується в корпус, який називається SECC2 (Single Edge Contact Cartridge, версія 2). Цей корпус є різновидом корпусу SEC. Кришка розташована з одного боку, а з іншого боку безпосередньо до мікросхеми прикріплюється охолоджуючий елемент. Таке конструктивне рішення дозволяє більш ефективно відводити тепло від процесора. Процесори в цьому корпусі вставляються в роз’єми Slot 1.

Поява корпусів подібного типу пов’язана з тим, щоб включити кеш-пам’ять в кристал ядра центрального процесора було неможливо. Коли з’явилися конструкції, що дозволяють ввести кеш-пам’ять другого рівня безпосередньо в кристал процесора, необхідність у використанні корпусів SEC і SEP відпала, і розробники знову повернулися до корпусу PGA.

Контрольні запитання

1. Опишіть корпус PGA.

2. Опишіть корпусb SEP та SEC.

Тема. ГНІЗДА ДЛЯ ПРОЦЕСОРІВ INTEL

1. Перші гнізда для процесорів

Компанії Intel і AMD розробили цілий ряд типів гнізд і роз’ємів, призначених для установки процесорів.

оз’єми Socket 1, 2, 3 і 6, призначені для установки процесорів 486, а роз’єми Socket 4, 5, 7 і 8, призначені для установки процесорів Pentium і Pentium Pro.

Коли компанія Intel розробила специфікацію гнізда Socket 1, виявилося для того щоб встановити процесор в гніздо потрібно докласти зусилля. Приклавши це зусилля, можна легко пошкодити мікросхему або гніздо під час видалення або перевстановлення. Враховуючи це, деякі виробники системних плат стали використовувати гніздо LIF (Low Insertion Force - невелика сила вставки). Однак і це зусилля може пошкодити системну плату; крім того, потрібен спеціальний інструмент для видалення мікросхеми з гнізда такого типу.

Тому було розроблено інший тип гнізда ZIF (Zero Insertion Force - нульова сила вставки). Його почали застосовувати в системних платах замість гнізда Socket 1 і в гніздах Socket 2 і наступних. Тип гнізда ZIF просто необхідний для зменшення зусиль при вставці мікросхем з більшим числом і щільністю контактів. Гнізда ZIF практично усувають ризик пошкодження процесора при його вставці і вилученні, оскільки для цих операцій не потрібні ні особливі зусилля, ні спеціальні інструменти. Більшість роз’ємів ZIF оснащено спеціальним важелем, який спочатку потрібно підняти, а потім вставити мікросхему в гніздо і опустити важіль.

2. Socket 370 (PGA - 370)

У листопаді 1998 року Intel представила нове гніздо для процесорів класу Р6. Воно отримало назву Socket 370 (PGA - 370), так як містило 370 штирьків і спочатку розроблялося для більш дешевих процесорів Celeron і Pentium III версій PGA. Гніздо дозволяє використовувати менш дорогі процесори, монтажні системи, радіатори тощо, тим самим знижуючи вартість всієї конструкції.

Компанія Intel, починаючи з процесора Celeron 300А (представленого в серпні 1998 року), об’єднує кеш-пам’ять другого рівня безпосередньо з кристалом процесора; розділені мікросхеми більше не застосовуються

Розташування виходів гнізда Socket 370 (PGA - 370)

Всі процесори Celeron з робочою частотою 333 МГц і нижче доступні тільки в корпусі Slot 1, 366-433 МГц - як в корпусі Slot 1, так і в Socket 370, а починаючи з моделі 466 МГц і до 1,4 ГГц - тільки у виконанні Socket 370.

У жовтні 1999 року Intel анонсувала процесори Pentium III з інтегрованою кеш-пам’яттю, які підключалися до гнізда Socket 370. У цих процесорах використовувався корпус FC-PGA (Flip Chip Pin Grid Array).

Установка нового процесора в корпусі FC-PGA в стару системну плату не призведе до виходу з ладу останньої, швидше за все, можна пошкодити сам процесор. Справа в тому, що Pentium III, виготовлений по 0,18 - мікронній технології, використовує напругу 1,60-1,65 В, у той час як у застарілих платах робоча напруга одно 2,00 В. Існує також ймовірність того, що системна плата вийде з ладу. Це може відбутися в тому випадку, якщо BIOS системної плати не зможе правильно ідентифікувати напругу процесора.

онструкція системної плати з роз’ємом Slot 1 дозволяє підтримувати практично всі процесори Celeron, Pentium II або Pentium III, в тому числі і «гніздові» версії процесорів Celeron і Pentium III. Для цього слід скористатися адаптером типу Slot-socket, який іноді називається також slot-ket. Цей адаптер, по суті, являє собою плату Slot 1, яка містить лише гніздо Socket 370, що дозволяє використовувати процесор PGA в будь платі Slot 1.

3. Socket 423

Гніздо ZIF-типу Socket 423 анонсовано в листопаді 2000 року для процесора Pentium 4 (кодова назва - Willamette).

Архітектура Socket 423 підтримує шину процесора 400 МГц, яка сполучає процесор з ядром контролера пам’яті (Memory Controller Hub - МСН), який є основною частиною мікропроцесорного набору системної плати. Процесори Pentium 4 з робочою частотою 2 ГГц зазвичай використовуються з роз’ємом Socket 423; для більш швидких версій необхідний роз’єм Socket 478.

У конструкції Socket 423 використовується унікальний метод установки радіатора, який полягає в застосуванні кріпильних елементів, приєднаних до корпусу системного блоку або до спеціальної пластині, розташованої нижче системної плати.

4. Socket 478

Гніздо ZIF-типу Socket 478 анонсовано в жовтні 2001 року для процесорів Pentium 4 і Celeron 4 (заснований на ядрі Pentium 4). Це гніздо було розроблено спеціально для підтримки додаткових контактів майбутніх процесорів Pentium 4 з тактовою частотою більше 2 ГГц. Монтаж радіатора виконується інакше, ніж у гнізді Socket 423, що дозволяє встановлювати на центральний процесор радіатори великих розмірів.

Архітектура Socket 478 підтримує шину процесора 400, 533 і 800 МГц, що сполучає процесор з ядром контролера пам’яті (Memory Controller Hub - МСН), який є основною частиною набору мікросхем системної плати.

У конструкції Socket 478 використовується новий метод кріплення радіатора, завдяки якому тепловідвід встановлюється безпосередньо на системну плату, а не в роз’єм центрального процесора або кріпильний блок (як, наприклад, Socket 423).

5. Socket LGA775 (Socket-T)

Гніздо LGA775 (також зване Socket-T) призначено для установки процесорів Core 2 Duo/Quad, Intel Pentium 4 Prescott, процесорів Pentium D і Pentium Extreme Edition, а також деяких версій Celeron і Celeron D. Гніздо Socket T унікальне тим, що штиркові контакти розташовані на самому гнізді, а не на процесорі.

У роз’ємах LGA на нижній частині підкладки знаходяться золоті гнізда, що замінили собою штирі роз’ємів PGA.

6. Socket LGA1156

Гніздо Socket LGA1156 (також відоме як Socket Н) було представлено у вересні 2009 року; воно призначене для підтримки процесорів сімейства Intel Core і Series з функціями північного моста, включаючи двоканальний контролер пам’яті DDR3, а також опціональний інтегрований відеоадаптер. Гніздо Socket LGA1156 використовує формат LGA, а значить, контактні ніжки розташовані на гнізді, а не процесорі.

Оскільки процесор включає північний міст, гніздо Socket LGA 1156 призначено для забезпечення взаємодії з мікросхемою РСН (Platform Controller Hub - контролер платформи); РСН – нова назва компонента, відомого як південний міст, в наборах мікросхем сімейства 5х.

Гніздо LGA1156 підтримує інтерфейси, перераховані нижче.

■ PCI Express x16 v2.0. Призначений для підключення одного роз’єму РСІе х16 або двох роз’ємів РСІе х8 для установки відеоадаптерів.

■ DMI (Direct Media Interface). Призначений для обміну даними між процесором і мікросхемою РСН. Фактично DMI - це модифікований канал PCI Express х4 v2.0 з пропускною здатністю 2 Гбайт/с.

■ Двоканальний інтерфейс DDR3. Призначений для забезпечення взаємодії контролера пам’яті, інтегрованого в процесор, з модулями DDR3 SDRAM в двоканальної конфігурації.

■ FDI (Flexible Display Interface). Інтерфейс для взаємодії опціонального інтегрованого в процесор відеоадаптера і мікросхеми РСН.

При використанні процесорів з інтегрованим відеоадаптером інтерфейс Flexible Display Interface відповідає за передачу цифрових відеоданих від відеоадаптера до мікросхеми РСН. Залежно від моделі системної плати підтримуються інтерфейси DisplayPort, HDMI, DVI або VGA.

7. Socket LGA1366

Гніздо Socket LGA 1366 (також відоме як Socket В) було представлено в листопаді 2008 року; воно призначене для підтримки процесорів сімейства Intel Core і Series, включаючи трьохканальний контролер пам’яті DDR3, однак при цьому також потрібно і окрема мікросхема північного моста, що отримала назву IOH (I/O Hub). Гніздо Socket LGA1366 використовує формат LGA, а значить, контактні ніжки розташовані на гнізді, а не процесорі.

Гніздо Socket LGA1366 призначене для забезпечення взаємодії з мікросхемою IOН (I/O Hub - контролер вводу -виводу); IOН - нова назва компонента, відомого як північний міст, в наборах мікросхем сімейства 5х. Гніздо LGA1366 підтримує такі інтерфейси.

■ QPI (Quick Path Interconnect). Інтерфейс для передачі даних між процесором і мікросхемою IOН (I/O Hub). QPI передає два байти за такт з частотою 4,8 або 6,4 ГГц, що забезпечує пропускну здатність 9,6 або 12,8 Гбайт/с.

■ Трьохканальний інтерфейс DDR3. Призначений для забезпечення взаємодії контролера пам’яті, інтегрованого в процесор, з модулями DDR3 SDRAM в трьохканальної конфігурації.

Гніздо LGA1366 призначено для продуктивних ПК, робочих станцій або серверів; воно підтримує також багатопроцесорні конфігурації.

Контрольні запитання

1. Опишіть перші гнізда для процесорів.

2. Дайте характеристику гнізду Socket 370 (PGA - 370).

3. Дайте характеристику гнізду Socket 423.

4. Дайте характеристику гнізду Socket 478.

5. Дайте характеристику гнізду Socket LGA775 (Socket-T).

6. Дайте характеристику гнізду Socket LGA1156.

7. Дайте характеристику гнізду Socket LGA1366.

Тема. ГНІЗДА ДЛЯ ПРОЦЕСОРІВ AMD

1. Socket A (Socket 462)

У червні 2000 року компанія AMD представила гніздо Socket А (Socket 462), яке призначене для підтримки процесорів Athlon і Duron версії PGA. Це гніздо розроблялося для заміни роз’єму Slot А, яке використовувалось початковим процесором Athlon.

Гніздо Socket A (Socket 462) містить 462 контакти і має ті ж розміри, що і Socket 370. Однак помістити процесор для гнізда Socket 370 в Socket А неможливо.

У загальній складності існує одинадцять заглушених отворів, в число яких увійшли і два зовнішніх мікроотвори. Вони використовуються для правильної орієнтації процесора в гнізді під час його установки.

Компанія AMD оголосила про те, що всі нові версії процесорів Athlon ХР будуть випускатися тільки для гнізда Socket А. Крім того, деякий час AMD продавала версію процесора Athlon із зменшеним об’ємом кеш-пам’яті другого рівня, що отримала назву Duron. У 2005 році компанія AMD припинила випуск 2 процесорів Athlon ХР і представила процесор AMD Sempron з формфактором Socket А і Socket 754. Перший процесор Athlon 64 також використовував роз’єм Socket 754, але згодом переключився на формфактори Socket 939 і AM 2.

2. Socket 754

Гніздо Socket 754 використовується з новими процесорами Athlon 64, а також з деякими версіями процесора Sempron економічної лінійки процесорів від компанії AMD. Це гніздо підтримує одноканальну небуферизовану пам’ять DDR SDRAM.

3. Socket 939 і Socket 940

Гніздо Socket 939 призначено для установки процесорів AMD Athlon 64, 64 FX і 64 Х2. Воно також використовується деякими процесорами AMD Opteron для робочих станцій і серверів. Системні плати, оснащені даними гніздом, підтримують звичайні небуферизовані модулі DDR SDRAM в одно-або двоканальному режимі, а не призначені для серверів (значно дорожчі) реєстрові модулі, використовувані в системних платах класу Socket 940

Гніздо Socket 940 призначено для установки процесорів AMD Athlon 64 FX і більшості процесорів AMD Opteron. Системні плати, оснащені даними гніздом, підтримують тільки реєстрові модулі DDR SDRAM в двоканальному режимі. Оскільки роз’єми Socket 939 і Socket 940 містять різну кількість контактів, вони не є взаємозаміннимі.

4. Socket АМ2/АМ2 + / АМЗ

У травні 2006 року компанія AMD представила процесори, призначені для установки в нове гніздо, що отримало назву Socket АМ2. Компанія AMD позиціонує М2 як універсальну заміну гнізд Socket 754, Socket 939 і Socket 940, призначеним для установки процесорів Athlon 64, Athlon 64 FX і Athlon 64 Х2.

У травні 2006 року компанія AMD представила процесори, призначені для установки в нове гніздо, що отримало назву Socket АМ2. Компанія AMD позиціонує М2 як універсальну заміну гнізд Socket 754, Socket 939 і Socket 940, призначеним для установки процесорів Athlon 64, Athlon 64 FX і Athlon 64 Х2.

ket АМ2 + - модернізація гнізда Socket АМ2, випущеного в листопаді 2007 року. Хоча фізично гнізда Socket АМ2 і АМ2 + ідентичні, гніздо Socket АМ2 + підтримує поділ ланцюгів живлення, а також HyperTransport 3.0, що дозволяє збільшити частоту FSB до 2,6 ГГц. Процесори Socket АМ2 + зворотньо сумісні з платами Socket АМ2, проте тільки з урахуванням обмежень шини HyperTransport 2.0. Процесори Socket АМ2 технічно можуть працювати в платах Socket АМ2 +, однак при цьому необхідна підтримка BIOS, доступна не на всіх системних платах

Гніздо Socket АМ3 було представлено в лютому 2009 року. Воно забезпечує підтримку процесорів з інтегрованим контролером пам’яті DDR3, таких як Phenom II. Крім підтримки пам’яті DDR3, гніздо Socket АМЗ містить 941 контакт зміненої конфігурації, що запобігає установку процесорів Socket АМ2 або АМ2 +

5. Socket F (1207FX)

Контрольні запитання

Гніздо Socket F (також зване 1207FX) вперше було представлено компанією AMD в серпні 2006 року для лінійки серверних процесорів Opteron. Це перший роз’єм від компанії AMD з компонуванням LGA (Land Grid Array), яка аналогічна Socket LGA775 від компанії Intel, що містить 1207 штирьків на матриці 35x35, причому штирі розміщені на гнізді, а не на процесорі. Гнізда Socket F містяться на материнські плати парами, для підтримки двох процесорів. Це гніздо використовувалося також двоядерними процесорами сімейства Quad FX, які дозволяли довести кількість процесорних ядер на материнській платі до чотирьох. У майбутніх версіях планується підтримка чотириядерних процесорів, при цьому кількість процесорних ядер в системі буде доведено до восьми.

Контрольні запитання

1. Дайте характеристику гнізду Socket A (Socket 462).

2. Дайте характеристику гнізду Socket 754.

3. Дайте характеристику гніздам Socket 939 і Socket 940.

4. Дайте характеристику гніздам Socket АМ2/АМ2 + / АМ3.

5. Дайте характеристику гнізду Socket F (1207FX)

Тема. ПЕРШЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р1 (086). ДРУГЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ : Р2 (286). ТРЕТЄ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: РЗ (386). ЧЕТВЕРТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р4 (486).

1. Перше покоління процесорів: Р1 (086)

У червні 1978 компанія Intel зробила революцію, представивши свій новий процесор 8086. Це був один з перших 16-розрядних мікропроцесорів на ринку Процесор 8086 мав 16-розрядні внутрішні регістри і міг виконувати програмне забезпечення нового типу, що використовує 16-розрядні команди. Він також мав 16-розрядну зовнішню шину даних і тому міг передавати в пам’ять одночасно 16 біт.(в той час всі інші процесори були 8-розрядними).

Вартість процесора 8086 була досить високою – для нього була потрібна 16-розрядна шина даних, а не дешевша 8-розрядна. Доступні в той час системи були 8-розрядними, і тому процесори 8086 продавалися погано. Тому Intel через якийсь час представила «урізану» версію процесора 8086, названа 8088. У ній, по суті, були видалені 8 з 16 розрядів на шині даних, і тепер процесор 8088 міг розглядатися як 8-розрядна мікросхема щодо введення і виведення даних. Та оскільки в ньому були повністю збережені 16-розрядні внутрішні регістри і 20-розрядна шина адреси, процесор 8088 виконував 16-розрядне програмне забезпечення і міг адресувати оперативну пам’ять об’ємом 1 Мбайт.

Виходячи з цього IBM вибрала 8-розрядні мікросхеми 8088 для свого першого IBM PC який з’явився в серпні 1981 року. Процесор 8088 працював з тактовою частотою 4,77 МГц, а на виконання команди в процесорах 8088 і 8086 в середньому йшло 12 тактів.

2. Друге покоління процесорів: Р2 (286)

Процесор 80286 (або просто 286) з’явився в 1981 році, і на його основі був створений комп’ютер IBM АТ. Потім він був встановлений в перших комп’ютерах PS/2 моделей 50 і 60 (пізніші моделі PS/2 створювалися на базі процесорів 386 і 486). Декількома компаніями був освоєний випуск аналогів (так званих клонів IBM), багато з яких були комп’ютерами класу АТ

Вибір процесора 286 в якості основи для комп’ютера АТ пояснювався його сумісністю з процесором 8088, тобто всі розроблені для IBM PC і XT програми підходили і для АТ. Процесор 286 має більш високу швидкодію, ніж його попередники, що і пояснює широке поширення цих комп’ютерів. Продуктивність першого комп’ютера АТ з тактовою частотою 6 МГц в п’ять разів перевищувала продуктивність IBM PC (4,77 МГц), а на виконання команди в середньому йшло 4,5 тактів. Крім того, процесор 286 оперує блоками даних по 16 біт, що в два рази перевищує можливості процесора 8088.

3. Третє покоління процесорів: Р3 (386)

Третє покоління процесорів – найбільш значущий крок вперед в історії процесорів з моменту появи ПК. Вони ознаменували перехід від 16-розрядних обчислень до 32-розрядних.

Процесор 80386 (або просто 386) мав набагато вищу продуктивність в порівнянні з попередниками. Він був повністю 32-розрядним. Компанія Intel випустила процесор 386 в 1985 році, а системи на його основі, наприклад Compaq Deskpro 386 і деякі інші, з’явилися наприкінці 1986 - початку 1987 року; дещо пізніше IBM випустила комп’ютер класу PS/2 моделі 80.

Існує досить багато різновидів процесорів 386, що відрізняються продуктивністю, споживаної потужністю і т.п.

Процесор 386DX

Мікросхема 386DX була першим процесором цього сімейства. Вона являє собою повністю 32-розрядний процесор, у якого внутрішні регістри, а також внутрішня і зовнішня шини даних – 32-розрядні. На кристалі процесора розміщується 275 тис. транзисторів, тобто вона відноситься до класу надвеликих інтегральних схем. Процесор випускається в 132-контактному корпусі і споживає струм близько 400 мА (значно менше, ніж процесор 8086). Настільки низьке споживання потужності пов’язано з тим, що процесор виконаний за технологією КМОП (CMOS), що допускає вкрай низький рівень енергоспоживання.

Тактова частота процесорів 386, що випускаються Intel, коливалася від 16 до 33 МГц, в мікросхемах інших виробників вона досягала 40 МГц.

Процесор 386DX здатний адресувати пам’ять об’ємом до 4 Гбайт.

Процесор 386SX

Цей процесор призначений для комп’ютерів з можливостями процесора 386, але які коштували б не більше системи 286. Як і в процесорі 286, для взаємодії з іншими компонентами комп’ютера використовується 16-розрядна шина даних. Однак внутрішня архітектура процесора 386SX аналогічна архітектурі 386DX, тобто він може одночасно обробляти 32 біт даних. Процесор 386SX оснащений 24-розрядною шиною адреси (на відміну від 32- розрядної в інших модифікаціях процесора 386) і може адресувати тільки 16 Мбайт (а не 4 Гбайт) пам’яті, тобто стільки ж, скільки процесор 286. Процесори 386 випускаються з різними тактовими частотами в межах від 16 до 33 МГц.

Поява 386SX ознаменувало кінець «кар’єри» процесора 286, перш за все завдяки більш досконалому диспетчеру пам’яті і наявності віртуального режиму. Під управлінням операційної системи Windows або OS/2 процесор 386SX може одночасно виконувати декілька програм DOS. Крім того, на відміну від процесора 286 і попередніх, він може виконувати всі програми, орієнтовані на процесори 386. Наприклад, Windows 3.1 працює з процесором 386SX майже так само добре, як з 386DX.

Процесор 386SL

386SL ще одна версія процесорів 386. Процесор 386SL з малим споживанням потужності призначений для портативних комп’ютерів, при цьому він володіє всіма можливостями процесора 386SX. Зниження енергоспоживання процесора має важливе значення при живленні комп’ютера від акумулятора; також в ньому передбачено і кілька «сплячих» режимів, в яких витрата енергії значно зменшується.

Структура процесора трохи ускладнена за рахунок схем SMI (System Management Interrupt - переривання управління системою), які забезпечують управління електроживленням. У процесорі 386SL також передбачена підтримка розширеної пам’яті стандарту LIM (Lotus Intel Microsoft) і вбудований кеш-контролер для управління зовнішньою кеш-нам’яті об’ємом від 16 до 64 Кбайт.

У результаті цих нововведень кількість транзисторів в мікросхемі зросла до 855 тисяч, тобто їх стало більше, ніж в 386DX. Тактова частота центрального процесора 386SL дорівнює 25 МГц.

4. Четверте покоління процесорів: Р4 (486)

Процесор Intel 80486 (486) став черговим кроком вперед, він дозволив створити графічний інтерфейс користувача для операційних систем, що значно спростило роботу на комп’ютері.

Процесор 486 мав вдвічі більшу продуктивність в порівнянні з процесором 386 (при однаковій тактовій частоті) це вдалося завдяки ряду нововведень.

■ Скорочення часу виконання команд. В середньому одна команда в процесорі 486 виконується всього за 2 такти, а не за 4,5, як в 386-му. Введення версій процесора з множниками частоти DX2 і DX4 дозволило зменшити загальний час виконання інструкцій до двох інструкцій у розрахунку на такт кварцового генератора

■ Вбудована кеш-пам’ять першого рівня. Забезпечує коефіцієнт попадання 90 95% (коефіцієнт, що відображає, як часто операції зчитування виконуються без очікування).

■ Скорочені цикли пам’яті (burst mode). Стандартний 32-розрядний (4-байтовий) обмін з пам’яттю відбувається за 2 такти; після нього можна виконати до трьох наступних обмінів (тобто до 12 байт), витрачаючи на кожен з них по одному такту замість двох. В результаті 16 послідовних байтів даних передаються за п’ять тактів замість восьми.

■ Вбудований (синхронний) співпроцесор (у деяких моделях). Співпроцесор працює на тій же тактовій частоті, що й основний процесор, тому на виконання математичних операцій витрачається менше циклів, ніж у попередніх співроцесорів. Продуктивність вбудованого співпроцесора в середньому в 2-3 рази вище в порівнянні з продуктивністю зовнішнього співпроцесора 80387. Швидкодія процесорів 486 в два рази вище, ніж у процесора 386, тобто продуктивність процесора 486SX з частотою 20 МГц така ж, як і у процесора 386DX з частотою 40 МГц.

Процесори 486DX

Перший процесор 486DX був випущений компанією Intel 10 квітня 1989, а перші комп’ютери на його основі з’явилися в 1990 році. Тактова частота першого процесора становила 25 МГц, напруга живлення 5В. Пізніше з’явилися мікросхеми на 33 і 50 МГц

Процесор 486DX виготовлявся за технологією CMOS, його внутрішні регістри, зовнішня шина даних і шина адреси 32-розрядні, як і у процесора 386. На кристалі розміром з ніготь розміщується 1,2 млн. транзисторів (у чотири рази більше, ніж в процесорі 386).

У стандартний процесор 486DX входять арифметико-логічний пристрій (АЛП), співпроцесор, пристрій управління пам’яттю і вбудований кеш-контролер з пам’яттю об’ємом 8 Кбайт. Завдяки вбудованій кеш-пам’яті і ефективному АЛП середньостатистична команда в процесорах сімейства 486 виконується всього за 2 такти (в процесорах 286 і 386 на це витрачається 4,5 такти, а в процесорах 8086/ 8088 - 12 тактів). При одній і тій же тактовій частоті процесор 486 вдвічі продуктивніший ніж процесор 386.

Процесор 486SL

Цей процесор деякий час випускався у вигляді окремої мікросхеми, а потім був знятий з виробництва. Удосконалення та нововведення варіанту SL були враховані практично у всіх процесорах 486 (SX, DX і DX2), що випускалися з маркуванням SL Enhanced. У процесорах SL Enhanced містяться додаткові вузли, що забезпечують зниження споживаної потужності.

Мікросхеми SL Enhanced спочатку призначалися для використання в портативних комп’ютерах з живленням від акумуляторів, але вони застосовувалися також і в настільних системах. Передбачено такі прийоми зниження енергоспоживання, як робота в черговому режимі і перемикання тактової частоти. Випускаються також різновиди цих мікросхем з напругою живлення 3,3 В.

Компанія Intel розробила систему зниження енергоспоживання, названу SMM (System Management Mode). Вона функціонує незалежно від інших вузлів процесора і виконуваних ним програм. Система побудована на основі таймерів, регістрів і інших логічних схем, які можуть регулювати споживання енергії деякими пристроями, що входять до складу портативного комп’ютера, не заважаючи при цьому роботі інших пристроїв. Програма SMM записується в спеціально відведену область пам’яті (System Management Memory), недоступну для операційної системи і прикладних програм. Для обслуговування подій, пов’язаних з управлінням електроживленням, передбачено переривання SMI (System Management Interrupt), яке не залежить від інших переривань і має найвищий пріоритет.

За допомогою SMM забезпечується гнучке і безпечне управління електроживленням. Якщо, наприклад, прикладна програма намагається звернутися до периферійного пристрою, яке знаходиться в режимі зниженого споживання енергії, то генерується переривання SMI. Після цього пристрій включається на повну потужність, і програма звертається до нього ще раз.

У процесорах SL можна використовувати режими призупинення (suspend) та поновлення (resume). У портативних комп’ютерах режим призупинення застосовується для їх тимчасового виключення і включення. На перехід з одного режиму в іншій звичайно потрібно не більше однієї секунди, причому після перемикання з режиму призупинення відновлюється той же стан комп’ютера, в якому він перебував раніше. При цьому не потрібно перезавантажувати комп’ютер і операційну систему, запускати додаток і знову вводити дані. Досить натиснути відповідну кнопку - і комп’ютер готовий до роботи

Процесори 486DX2/OverDrive і 586DX4

У травні 1992 року компанія Intel випутила процесори DX2 (OverDrive) з подвоєною тактовою частотою. Спочатку процесори були 169-контактними, тобто їх можна було встановити тільки в ті комп’ютери з процесором 486SX, в яких було додаткове гніздо на 169 контактів.

У вересні 1992 року з’явилися моделі OverDrive з 168 контактами, які призначені для модернізації комп’ютерів з процесорами 486DX. Ці процесори можна встановлювати в будь-які комп’ютери, створені на базі процесорів 486 (SX або DX), і навіть у ті, які не розраховані на використання 169-контактних мікросхем.

Внутрішня тактова частота процесорів DX2/OverDrive вдвічі вища ніж частота системної плати. Наприклад, при тактовій частоті системної плати 25 МГц процесор працює на частоті 50 МГц, при 33 МГц - на частоті 66 МГц. Подвоєння внутрішньої частоти не позначається на роботі інших компонентів комп’ютера – всі вони функціонують так само, як із звичайним процесором 486. Тому при переході на процесор з подвоєною частотою заміняти інші компоненти комп’ютера, наприклад модулі пам’яті, не потрібно.

AMD 486 (5x86)

Процесори AMD, сумісні з процесором 486, встановлюються в стандартні системні плати для процесора 486, є найшвидшими в класі 486 і називаються Аm5х86 (ТМ) - Р75. Фактично це процесор 486, але з великим множником тактової частоти (4х), тобто він працює на тактовій частоті, яка в чотири рази перевищує частоту системної плати для процесора 486 (33 МГц).

Процесор 5x85 має універсальну двонаправлену кеш-пам’ять об’ємом 16 Кбайт, що працює на тактовій частоті 133 МГц. Продуктивність цього процесора приблизно така ж, як у Pentium 75, тому позначення Р-75 застосовується в числовий частині маркування

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику першого покоління процесорів: Р1 (086).

2. Дайте коротку характеристику другого покоління процесорів : Р2 (286).

3. Дайте коротку характеристику третього покоління процесорів: Р3 (386).

4. Дайте коротку характеристику четвертого покоління процесорів: Р4 (486).

Тема. П’ЯТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р5 (586).

1. П’яте покоління процесорів: Р5 (586)

Після випуску процесорів четвертого покоління (таких, як 486) компанія Intel та інші виробники зайнялися розробкою нових архітектур і функцій, які й впровадили в так звані процесори п’ятого покоління

У жовтні 1992 року Intel оголосила, що сумісні процесори п’ятого покоління (що розроблялися під кодовою названцем Р5) будуть називатися Pentium, а не 586 (така назва була б цілком природною, проте з’ясувалося, що цифрові позначення не можуть бути зареєстровані в якості торгової марки) Перші процесори Pentium були випущені в березні 1993 року, а через кілька місяців з’явилися і перші комп’ютери на їх основі.

Процесор Pentium сумісний з попередніми моделями Intel, але при цьому значно відрізняється від них. Одна з революційних відмінностей – Pentium має два конвеєра, що дозволяє йому виконувати одночасно дві команди. (Усі попередні процесори виконували в кожен момент часу тільки одну команду.) Компанією Intel ця можливість названа суперскалярною технологією. Завдяки цій технології продуктивність Pentium в порівнянні з процесорами 486 істотно підвищилася.

Поняття суперскалярна архітектура пов’язується з високопродуктивними RISC-процесорами. Pentium – один з перших процесорів CISC (Complex Instruction Set Computer), який можна вважати суперскалярним. Він практично еквівалентний двом процесорам 486, які об’єднані в одному корпусі.

Процесор Pentium має 32-розрядну шину адреси (таку ж, як і процесори 386DX і 486), що дозволяє адресувати пам’ять об’ємом до 4 Гбайт. Але, оскільки розрядність шини даних збільшена до 64, при однаковій тактовій частоті швидкість обміну даними виявляється в два рази вищою, ніж у процесора 486. При використанні такої шини даних потрібна відповідна організація пам’яті, тобто кожен банк пам’яті повинен бути 64-розрядним.

Незважаючи на те що зовнішня шина даних 64-розрядна, внутрішні регістри Pentium 32-розрядні. При виконанні команд і обробці даних в процесорі вони попередньо розбиваються на 32-розрядні елементи й обробляються майже так само, як в процесорі 486.

У Pentium, як і в процесорі 486, є вбудований співпроцесор. Однак працює він від двох до десяти разів швидше, і при цьому зберігається сумісність з співроцесорами 486 і 387. Крім того два конвеєра процесора виконують математичні операції над цілими числами, а співпроцесор призначений для більш складних розрахунків.

Процесор Pentium першого покоління

Існують три різновиди процесорів Pentium, кожна з яких випускається в декількох модифікаціях. Процесори першого покоління працюють на частотах 60 і 66 МГц, мають 273-контактний корпус PGA і розраховані на напругу живлення 5В. Вони працюють на тій самій частоті, що і системна плата, тобто кратність множення дорівнює 1х.

Процесори Pentium першого покоління виробляються за біполярною технологією BiCMOS, при якій використовується структура мінімального розміру (0,8 мкм). Виробництво мікросхеми, що містить близько 3,1 млн. транзисторів, виявилося надто складним; в результаті вихід придатних мікросхем був низьким, і їх виробництво припинилося. В той час деякі компанії, наприклад IBM і Motorola, при виготовленні найскладніших мікросхем перейшли до технології, при якій використовувалася структура розміром 0,6 мкм. При великому розмірі кристала і високої напруги (5 В) процесор Pentium з тактовою частотою 66 МГц споживає близько 3,2 А (потужність - 16 Вт.), Виділяючи величезну (для мікросхеми) кількість тепла. Це спричинило до встановлення додаткового вентилятора.

Процесор Pentium другого покоління

У березні 1994 року компанія Intel почала випуск процесорів Pentium другого покоління. Ці процесори працюють на частотах 90 і 100 МГц; існує також модель, що працює на частоті 75 МГц. Крім того, з’явилися модифікації, розраховані на 120, 133, 150, 166 і 200 МГц. Вони виробляються по біполярній технології BiCMOS, при якій використовується структура розміром 0,6 мкм (75/90/100 МГц); це дозволило зменшити розмір кристала і знизити споживану напругу. У більш швидкодіючих версіях процесора Pentium другого покоління (120 МГц і вище) використовується ще менший кристал, створений по 0,35- мікронній технології BiCMOS. Напруга, що використовується цими мікросхемами, 3,3 В і нижча.

Процесори випускаються в 296-контактному корпусі SPGA, який не сумісний з формфактором процесора першого покоління. Перейти від мікросхем першого покоління до мікросхем другого покоління можна тільки замінити системну плату. На кристалі процесора Pentium другого покоління розташовується 3,3 млн. транзисторів, тобто більше, ніж у перших мікросхем. Додаткові транзистори з’явилися в результаті того, що були розширені можливості управління споживаної потужністю (зокрема, введено перемикання частоти тактового сигналу, до складу мікросхеми включений вдосконалений програмований контролер переривань APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) та інтерфейс двопроцесорного режиму DP (Dual Processing)), які призначені для організації взаємодії двох процесорів Pentium другого покоління, що встановлені на одній системній платі.

У процесорах Pentium другого покоління використовується множення тактової частоти; воно працює швидше, ніж системна шина. Наприклад, Pentium на 150 МГц може працювати з частотою, яка в 2,5 рази більше частоти шини (60 МГц), а процесор на 100 МГц - з коефіцієнтом множення 1,5 х при частоті шини 66 МГц і з коефіцієнтом 2х при частоті 50 МГц.

Фактично для всіх системних плат Pentium існують три параметри тактової частоти: 50, 60 і 66 МГц. Процесори Pentium були розроблені з різними коефіцієнтами множення для внутрішньої тактової частоти і тому можуть працювати з цілою низкою системних плат, при цьому частота, на якій працює процесор, буде кратна частоті, на якій працює системна плата.

Процесор Pentium ММХ

Третє покоління процесорів Pentium з кодовою назвою Р55С, що з’явилося в січні 1997 року, об’єднала у своїй конструкції технологічні рішення Pentium другого покоління і нову розробку, яку Intel назвала технологією ММХ. Процесори Pentium ММХ працюють на тактових частотах 66 / 166, 66 / 200 і 66/233 МГц; є також версія для портативних комп’ютерів, що працює на тактовій частоті 66/266 МГц. Вони мають багато спільного з процесорами другого покоління, а саме: суперскалярну архітектуру, підтримку багатопроцесорної обробки, вбудований локальний контролер APIC і функції управління енергоспоживанням. Проте новий процесор включає пристрій ММХ з конвеєрною обробкою команд, кеш зі зворотним записом об’ємом 16 Кбайт (у більш ранніх - 8 Кбайт) і 4,5 млн. транзисторів. Мікросхеми Pentium ММХ виробляються за вдосконаленою 0,35-мікронною КМОП-технологією з використанням кремнієвих напівпровідників і працюють на пониженій напрузі – 2,8 В. Мікросхеми для портативних комп’ютерів, які працюють на тактових частотах 233 і 266 МГц і виготовлені з використанням 0,25-мікронної технології, споживання енергії менше, ніж процесор Pentium 133 МГц без ММХ.

Щоб можна було встановити процесор Pentium ММХ на системну плату, вона повинна забезпечувати йому знижену робочу напруга (2,8 В і менше). Зробити системні плати більш універсальними щодо напруги яку використовують процесори допомогло нове рішення Intel - процесорне гніздо типу Socket 7 з встановним модулем, який регулює напруга (Voltage Regulation Module - VRM). Цей модуль можна легко замінити та переналаштувати плату на використання новітніх процесорів з будь-якою робочим напругою.

Головна перевага процесора Pentium ММХ полягає в мультимедіа розширеннях ММХ (MultiMcdia eXtentions). Розроблена Intel технологія ММХ була реакцією на постійно зростаючу популярність мережевих додатків і додатків мультимедіа, що вимагають підвищені вимоги до апаратного забезпечення. У багатьох з цих додатків є циклічно повторювані послідовності команд, на виконання яких йде основна частина процесорного часу. Розроблена Intel технологія SIMD (Single Instruction Multiple Data один потік команд на декілька потоків даних) вирішує цю проблему шляхом виявлення таких циклів і виконання однієї операції (команди) над кількома даними. Крім того, в архітектуру процесора введено 57 додаткових команд, які спеціально призначені для роботи з графічними даними, а також відео-та аудіоданими.

AMD- K5

Це Pentium-сумісний процесор, який розроблений компанією AMD і маркується як PR75, PR90, PR100, PR120, PR133, PR166 і PR200. Оскільки розробники прагнули створити процесор, фізично і функціонально сумісний з Intel Pentium, будь-яка системна плата, яка коректно підтримує Intel Pentium, повинна підтримувати і AMD-K5. Однак для правильного розпізнавання AMDK5 може знадобитися оновлення BIOS. На сайті компанії AMD міститься список системних плат, які були перевірені на сумісність. AMD-K5 має наступні вдосконалені засоби:

■ кеш команд об’ємом 16 Кбайт і двосторонній кеш даних об’ємом 8 Кбайт;

■ динамічне виконання – передбачення переходу з випереджувальним виконанням;

■ RISC-подібний пятиетапний конвеєр з шістьма паралельними функціональними модулями;

■ високоефективний співпроцесор для виконання операцій над числами з плаваючою комою;

■ контакти для вибору множника тактової частоти (1,5 х, 1,75 х і 2х).

Мікросхеми К5 маркуються відповідно до їх оцінки ефективності (РRating), тобто число на мікросхемі вказує не справжню тактову частоту, а оцінене значення (це показник частоти процесора Pentium, що володіє тією ж швидкодією, що і даний процесор AMD).

Наприклад, процесор версії PR 166 фактично працює на тактовій частоті 117 МГц. Такий підхід компанії AMD до маркування своїх процесорів пояснюється тим, що архітектура К5 була більш досконалою в порівнянні з архітектурою Pentium, і для досягнення однакового швидкодії процесорам К5 була потрібна набагато менша частота. Але, навіть незважаючи на всі ці поліпшення, компанія AMD представила на ринку К5 як процесор п’ятого покоління, що аналогічний Pentium. Процесор AMD-K5 працює при напрузі 3,52В.

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику першого покоління процесорів: Р1 (086).

2. Дайте коротку характеристику другого покоління процесорів : Р2 (286).

3. Дайте коротку характеристику третього покоління процесорів: Р3 (386).

4. Дайте коротку характеристику четвертого покоління процесорів: Р4 (486).

5. Дайте коротку характеристику п’ятого покоління процесорів: Р5 (586).

Тема. ШОСТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р6 (686).

1. Процесор Pentium Pro

У Р6 (686) реалізовані можливості, яких не було в процесорах попередніх поколінь. Сімейство процесорів шостого покоління з’явилось на ринку в листопаді 1995 року Pentium Pro. З тих пір компанія Intel випустила безліч інших процесорів Р6, проте у всіх використовувалося те ж ядро, що і в Pentium Pro.

Основними особливостями всіх процесорів шостого покоління є динамічне виконання, архітектура подвійної незалежної шини (Dual Independent Bus - DIB) і покращений суперскаляр.

Процесор Pentium Pro був представлений у листопаді 1995 року, а масові продажі почалися в 1996 році. Процесор упакований в 387-контактний корпус, який встановлювався в гніздо типу Socket 8, тому він не сумісний з розведенням контактів з більш ранніми процесорами Pentium. Кілька мікросхем об’єднані в модуль МСМ (Multi- Chip Module), виконаний за новою унікальною технологією Intel, яка носить назву Dual Cavity PGA (подвійний корпус PGA). Всередині 387-контактного корпусу насправді знаходяться дві мікросхеми, одна з них містить сам процесор Pentium Pro, а інша – кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 256 Кбайт, 512 Кбайт або 1 Мбайт. У самому процесорі міститься 5,5 млн. транзисторів, в кеш-пам’яті об’ємом 256 Кбайт 15,5 млн. транзисторів, а в кеш-пам’яті об’ємом 512 Кбайт – 31 млн. Разом у модулі з кеш-пам’яттю об’ємом 512 Кбайт міститься 36,5 млн. транзисторів, а при обсязі 1 Мбайт їх кількість зросте до 68 млн. Pentium Pro з кеш-пам’яттю об’ємом 1 Мбайт складається з трьох мікросхем: процесора і двох кешей об’ємом по 512 Кбайт.

На основному кристалі процесора знаходиться також вбудована кешпам’ять першого рівня об’ємом 16 Кбайт (фактично два множинноасоціативних кеша обсягом по 8 Кбайт – для команд і даних).

У Pentium Pro реалізована архітектура подвійної незалежної шини (DIB). Шина, що має архітектуру DIB, складається з шини кеш-пам’яті другого рівня (що міститься повністю всередині корпусу процесора) і системної шини для передачі даних між процесором і основною пам’яттю системи. Тактова частота спеціалізованої (виділеної) шини кеш-пам’яті другого рівня на Pentium Pro дорівнює тактовій частоті процесора. Тому мікросхема кеш-пам’яті поміщена безпосередньо в корпус процесора Pentium Pro. Архітектура DIB збільшує пропускну здатність пам’яті майже в три рази в порівнянні з класичними системами з гніздом типу Socket 7. Процесор Pentium Pro, підвищує частоту шини 66 МГц за допомогою множника.

У табл. 3.20 наведені показники швидкодії процесорів і системних плат Pentium Pro. Існували й непідтримувані значення коефіцієнта множення 3,5 х і 4х, використання яких призводило до розгону процесора. Наприклад, завдання коефіцієнта множення 3,5 х при частоті шини 66 МГц приводило до робочої частоти 233 МГц.

У процесор Pentium Pro кеш-пам’ять другого рівня видалена з системної плати і вбудована в процесор (пам’ять працює на максимальній частоті процесора). Фактично кеш-пам’ять другого рівня має власну внутрішню 64- розрядну шину, яка функціонує незалежно від зовнішньої 64-розрядної шини процесора. Вона значно покращує роботу багатозадачної системи. Процесор Pentium Pro підтримує нову многопроцессорную структуру Multi-Processor Specification (MPS), а не симетричну многопроцессорную роботу (SMP), як у Pentium. Завдяки MPS в системах з Pentium Pro одночасно може працювати до чотирьох процесорів. Внутрішні регістри і канали даних – 32-розрядні, як у Pentium.

2. Процесор Pentium II

Pentium II (Klamath) компанія Intel представила в травні 1997 року. Pentium ІІ по суті той самий процесор шостого покоління, що і Pentium Pro, але з доданою технологією ММХ (яка включає подвоєний об’єм кеш-пам’яті першого рівня і 57 нових інструкцій ММХ), та ще ряд нововведень.

Процесор Pentium II упакований у корпус з одностороннім контактом (Single Edge Contact SEC) і великим тепловідвідним елементом. Встановлюється він на власну невелику плату, дуже схожу на модуль пам’яті SIMM і містив кеш-пам’ять другого рівня; ця плата встановлюється в роз’єм типу Slot 1 на системній платі, який зовні дуже схожий на роз’єм адаптера.

Існують два типи картриджів процесорів, званих SECC (Single Edge Contact Cartridge) і SECC2.

На початку 1999 року компанія Intel повністю перейшла на використання картриджів SECC2 як для всіх наступних моделей Pentium ІІ, та Pentium III, що використали роз’єм Slot 1.

Використовуючи окремі мікросхеми, що збираються на монтажній платі, компанія Intel змогла здешевити виробництво процесорів Pentium II в порівнянні з безліччю кристалів, що знаходяться в одному корпусі Pentium Pro. Також це дозволило використовувати мікросхеми кеш-пам’яті інших виробників і, таким чином, розширити спектр конфігурацій процесора.

Ядро процесора Pentium II має 7,5 млн. транзисторів; при його виробництві використовується поліпшена архітектура Р6 компанії Intel. Спочатку всі процесори Pentium II вироблялися за 0,35-мікронною технологією, проте вже при виготовленні Pentium II з частотою 333 МГц використовується 0,25-мікронний процес. Це дозволяє зменшити кристал, збільшити тактову частоту і знизити споживану потужність.

Якщо не враховувати швидкість, то процесор Pentium II можна розглядати як комбінацію Pentium Pro і технологію ММХ з трохи покращеною конструкцією кеш-пам’яті. У нього такі ж багатопроцесорні можливості і точно такий же інтегрований кеш другого рівня, як у Pentium Pro, а у ММХ запозичені 57 нових мультимедійних команд. Крім того, в Pentium II об’єм внутрішньої кеш-пам’яті першого рівня вдвічі вищий, ніж у Pentium Pro (тепер він становить не 16, а 32 Кбайт).

Як і в Pentium Pro, в Pentium II впроваджена архітектура подвійної незалежної шини (Dual Independent Bus-DIB). Архітектура подвійної незалежної шини дозволяє підвищити швидкодію кеш-пам’яті другого рівня процесора Pentium II з частотою 333 МГц в 2,5 рази. Причому зі збільшенням тактової частоти процесорів Pentium II зростає і швидкодія кеш-пам’яті другого рівня.

3. Процесор Pentium ІІІ

Процесор Pentium III представлений в лютому 1999 року. Він має те ж ядро, що і Pentium II з підтримкою додаткових інструкцій SSE, вбудовану в ядро кеш-пам’яті другого рівня. У Pentium III реалізовані нові поточні SIMD - розширення: 70 команд, що забезпечують покращені можливості обробки зображень, тривимірної графіки, потокового відео/аудіо і розпізнавання мови.

Процесор Pentium III спочатку випускався за 0,25-мікронною технологією і містив 9,5 млн. транзисторів. Наприкінці 1999 року Intel перейшла до ядра (кодова назва Coppermine), яке створене по 0,18-мікронної технології і має додаткові 256 Кбайт вбудованої кеш-пам’яті другого рівня. В результаті процесор став містити 28,1 млн. транзисторів. Остання версія Pentium III (кодова назва - Tualatin) створена по 0,13-мікронній технології і має 44 млн. транзисторів. Системні плати, випущені до появи Tualatin, не підтримують цей процесор через розташування контактних виходів. Процесори Pentium III працюють на тактових частотах від 450 МГц до 1,4 ГГц; крім того, існують і серверні версії (Хеоn), що мають кеш-пам’ять більшого об’єму. У Pentium III встановлено 32 Кбайт кеш-пам’яті першого рівня і 256 або 512 Кбайт кешпам’яті другого рівня, що працює на половинній або повній частоті процесора. Об’єм кеш-пам’яті другого рівня дозволяє кешувати до 4 Гбайт пам’яті, що адресується.

Процесори Pentium III спочатку випускалися в корпусах формфактора SECC2, що замінив застарілі корпуси SEC. Корпус SECC2 закриває тільки одну сторону процесора, має меншу вагу і спрощує процес установки тепловідведення.

Основні особливості процесора Pentium III:

■ Потокові розширення SIMD (SSE). Додано 70 нових команд, які значно поліпшують обробку графіки, відтворення тривимірних аудіо- та відеофайлів, доступ до Інтернету, розпізнавання мови, нові інтерфейси користувача, а також прискорюють роботу професійних графічних і звукових додатків.

■ Серійний номер процесора Intel. Є першим елементом системи безпеки ПК, пропонованої компанією Intel, і служить електронним «паспортом» процесора, користувача або системи. Це робить можливим ідентифікацію системи/користувача при роботі в мережі або з додатками.

Більшість процесорів Pentium III спочатку випускалися в покращеному корпусі SECC2; згодом компанія Intel переключилася на використання корпусу FC-PGA, конструкція якого має більш низьку вартість і дозволяє під’єднати радіатор безпосередньо до ядра процесора для кращого охолодження. Корпус FC-PGA може бути підключений в гніздо Socket 370 або ж у Slot 1 за допомогою адаптера slot-ket.

Всі процесори Pentium ІІІ містять 512 або 256 Кбайт кеш-пам’яті другого рівня, яка працює на повній або половинній частоті процесора. У процесорах Xeon використовується кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт, 1 або 2 Мбайт, працює на повній частоті процесора. (Процесор Xeon – більш дорога версія, яка розроблена для серверів і робочих станцій). Всі процесори Pentium III дозволяють адресувати до 4 Гбайт оперативної пам’яті і підтримують функції ЕСС.

4. Celeron

Процесор Celeron це більше маркетингова назва, ніж назва ядра. Перші дві версії процесора базувалися на ядрі Р6 процесорів Pentium II; надалі випускалися версії на базі ядер процесорів Р III, потім на базі Р4, і, нарешті, останні версії базуються на ядрі процесорів Core 2. Насправді Celeron – назва процесора Intel для сучасних бюджетних ПК.

При створенні перших процесорів Celeron компанія Intel дійшла висновку, що достатньо позбавити процесор Pentium II кеш-пам’яті L2 і внести ще ряд незначних змін і можна отримати «новий» процесор, що являє собою сповільнену версію Pentium ІІ. Перші процесори Celeron з частотою 266 і 300 МГц були повністю позбавлені кеш-пам’яті L2, а починаючи з моделі 300А процесор Celeron отримав кеш-пам’ять L2 об’ємом 128 Кбайт, що працює на частоті ядра.

Фактично Celeron – перший процесор для ПК, який отримав інтегровану кеш-пам’яті другого рівня. Така ситуація мала місце до виходу Pentium III на ядрі Coppermine з інтегрованою кеш-пам’яттю L2.

Після цього випускалося безліч версій процесора Celeron, кожна з яких базувалася на поточному ядрі «основного» процесора.

Intel випустила чимало варіантів процесорів Celeron і Celeron D, тому щоб визначити, що собою являє та чи інша модель слід визначити номер специфікації певної моделі і відвідати сайт Intel де можна отримати вичерпні відомості про специфікації процесора, включаючи тип гнізда, напругу живлення, об’єм кеш-пам’яті, та інші характеристики.

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику шостого покоління процесорів: Р6 (686).

2. Дайте коротку характеристику процесорів: P7 (Intel Pentium 4).

3. Дайте коротку характеристику процесорів Intel Core.

Тема. ШОСТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ:ПРОЦЕСОРИ: P7 (INTEL PENTIUM 4).

1. Процесори: Р7 (Intel Pentium 4)

Процесор Pentium 4 був випущений в листопаді 2000 року і являє собою зовсім нове покоління процесорів. Якщо замість імені йому привласнити порядковий номер, це буде процесор 786, так як він є представником іншого покоління, що відрізняється від попередніх процесорів класу 686.

На базі різних ядер і архітектур було створено кілька версій процесора Pentium 4.

Основні технічні характеристики процесора Pentium 4:

■ тактова частота процесора - 1,3-3,8 ГГц і вище;

■ кількість транзисторів - 42 млн., 0,18-мікрона технологія, площа кристала - 217 мм 2 (Willamette);

■ кількість транзисторів - 55 млн., 0,13 - мікрона технологія, площа кристала 131 мм (Northwood);

■ кількість транзисторів - 178 млн., 0,13 - мікрона технологія, площа кристала - 237 мм2 (Gallatin);

■ кількість транзисторів - 125 млн., 0,09 - мікрона технологія, площа кристала - 112 мм2 (Prescott);

■ кількість транзисторів - 169 млн., 0,09 - мікрона технологія, площа кристала - 135 мм2 (Prescott 2М);

■ кількість транзисторів - 188 млн., 0,065 - мікрона технологія, площа кристала - 81 мм2 (Cedar Mill);

■ програмна сумісність з попередніми 32-розрядними процесорами Intel;

■ тактова частота шини процесора - 400, 533 800 або 1066 МГц;

■ арифметико-логічні пристрої (АЛП) працюють на подвоєній частоті ядра процесора

■ гіперконвейерной технологія (20 ступенів або 31 ступінь);

■ підтримка технології Hyper-Threading усіма процесорами з частотою 2,4 ГГц і вище, що працюють на шині з частотою 800 МГц, і всіма процесорами з частотою 3,6 ГГц і вище, що працюють на шині з частотою 533 МГц;

■ 8 або 16 Кбайт кеш-пам’яті першого рівня плюс кеш контролю виконання команд об’ємом 12 Кбайт;

■ асоціативна восьмирівневого 128-розрядна кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 256 Кбайт, 512 Кбайт, 1 або 2 Мбайт, що працює на частоті процесора;

■ кеш- пам’ять другого рівня дозволяє обробляти всю фізичну пам’ять і підтримує код корекції помилок (ЕСС);

■ у версії Extreme Edition є вбудований кеш третього рівня 2 Мбайт, що працює на частоті ядра;

■ 144 нові інструкції SSE2 для обробки звукових і графічних даних (Willamette і Northwood);

■ інструкції SSE3 (містять всі інструкції SSE2, а також 13 нових інструкцій для обробки графіки і звуку (Prescott));

■ розширений модуль виконання операцій з плаваючою комою;

■ кілька режимів пониження споживання потужності.

Компанія Intel відмовилася від використання римських цифр для позначення процесорів, віддавши перевагу стандартної арабської нумерації. Pentium 4 представляє нову архітектуру NetBurst, що включає в себе гіперконвейерну технологію, механізм швидкого виконання операцій, системну шину з робочою частотою 400/533/800/1066 МГц і кешпамять контролю виконання команд. Системна шина з робочою частотою 400/533/800/1066 МГц являє собою четверичну шину, що взаємодіє з системним тактовим генератором з частотою 100/133/200/266 МГц, яка дозволяє передавати дані чотири рази за один такт.

У перших конструкціях Pentium 4 використовувалося гніздо Socket 423, що містить 423 виходи, які розташовані за схемою 39x39 SPGA. У більш сучасних версіях використовується гніздо Socket 478, а в новітніх – гніздо Socket Т (LGA775), що містить додаткові виходи, які призначені для майбутніх нових технологій, таких як ЕМ64Т (64- розрядне розширення), Execute Disable Bit (захист від атак на переповнення буфера) і Intel Virtualization Technology (технологія віртуалізації, що дозволяє створювати для додатків ізольовані розділи).

2. Pentium 4 Extreme Edition

У листопаді 2003 року Intel представила версію Extreme Edition процесора Pentium 4, яка виявилася першим процесором для ПК, що оснащений кеш-пам’яттю третього рівня L3. Процесор Pentium 4 Extreme Edition (або просто Pentium 4ЕЕ) - це трохи скоректована версія ядра Prestonia процесора Xeon, який оснащувався кеш-пам’яттю третього рівня L3 з листопада 2002 року. Pentium 4ЕЕ оснащений кеш-пам’яттю другого рівня об’ємом 512 Кбайт і кеш-пам’яттю третього рівня L3 об’ємом 2 Мбайт, що призвело до збільшення кількості транзисторів до 178 млн., що значно більше, ніж у Pentium 4. Оскільки при використанні 0,13-мікронної технології розміри ядра були дуже великі,виробництво процесора виявилося дуже дорогим.

У 2004 році були представлені оновлені версії Pentium 4 Extreme Edition. Ці процесори базуються на 0,09-мікронному ядрі Pentium 4 Prescott і при цьому оснащуються кешпамяті L2 об’ємом 2 Мбайт замість 512 Кбайт, властивих звичайним процесорам Pentium 4 на ядрі Prescott. Процесори Pentium 4 Extreme Edition на ядрі Prescott не оснащуються кеш- пам’яттю L3.

Процесори Pentium 4 Extreme Edition випускаються для гнізд Socket 478 і Socket Т; при цьому тактові частоти складають від 3,2 до 3,4 ГГц (Socket 478) і від 3,4 до 3,73 ГГц (Socket Т).

3. Електроживлення та охолодження процесора Pentium 4

Процесор Pentium 4 вимагає великої кількості електричної енергії, тому в більшості його системних плат використовується нова конструкція модуля регулятора напруги, використана напруга яка становить 12 В замість 3,3 або 5 В, як у попередніх конструкціях. Таким чином, електричний струм напругою 3,3 або 5 В, необхідний для роботи інших компонентів системи, стає більш доступним. Крім того, більш висока напруга джерела значно знижує загальне споживання струму. Блоки живлення комп’ютера генерують більш ніж достатній запас напруги, але системна плата АТХ і вихідна конструкція схеми живлення містять тільки один контакт, виділений під напругу 12 В, в той же час кожен контакт розрахований на струм, що не перевищує 6 А. Тому були вкрай необхідні додаткові 12-вольтні лінії, призначені для подачі живлення на системну плату.

Вирішенням проблеми став третій роз’єм живлення, що отримав назву ATX12V. Він є доповненням стандартного 20 -контактного силового роз’єму АТХ і допоміжного 6 -контактного роз’єму живлення (3,3/5В). А

Для охолодження модулів високої потужності, до яких відноситься Pentium 4, необхідний активний тепловідвід великого розміру. Вага тепловідведення іноді досягає 0,5 кг, що може призвести до пошкодження процесора або системної плати внаслідок підвищеної вібрації або удару. Для того щоб вийти з цього положення, в конструкцію шасі АТХ в якості елементів жорсткості були введені чотири додаткові кронштейни, які розташовуються по різні сторони від гнізда Socket 423 і служать для підтримки тепловідведення. Така конструкція дозволяє значно зменшити навантаження на системну плату.

Оскільки процесори сімейства Pentium 4 випускалися для трьох типів гнізд і при цьому характеризувалися різними частотами і рівнем тепловиділення, дуже важливо, щоб обраний тепловідвід був сумісний з процесором.

4. Процесори Pentium D і Pentium Extreme Edition

Компанія Intel представила свої перші двоядерні процесори Pentium Extreme Edition і Pentium D в квітні 2005 року. Намагаючись вивести двоядерні процесори на ринок якомога швидше, Intel просто об’єднала на одній підкладці два ядра Prescott. Саме так на ринку і з’явилися процесори Pentium D і Pentium Extreme Edition. Кожне ядро взаємодіє з іншим через мікросхему МСН (північний міст) на системній платі.

Першими наборами мікросхем від Intel, що підтримують двоядерні процесори, стали набори сімейства 945, а також 955Х і 975Х для настільних систем і набір мікросхем Е7230 для робочих станцій. Крім того, двоядерні процесори підтримуються набором мікросхем nForce 4 від компанії NVIDIA.

Основні характеристики Pentium D:

■ тактові частоти - від 2,8 до 3,6 ГГц;

■ частота шини - 533 або 800 МГц;

■ підтримка 64-розрядних розширень ЕМ64Т;

■ підтримка технології Execute Disable Bit;

■ 0,09 - мікронний технологічний процес;

■ кеш-пам’ять L2 об’ємом 2 або 4 Мбайт (по 1 або 2 Мбайт на ядро);

■ гніздо Socket Т (LGA775).

Моделі 830, 840 і 9хх також підтримують технологію Enhanced Intel Speed Step Technology, яка забезпечує більш тиху і «холодну» роботу ПК, так як дозволяє процесору в широких межах змінювати частоту залежно від поточного навантаження.

Процесор Pentium Extreme Edition 840 схожий на Pentium D 840, однак існує кілька відмінностей:

■ підтримка технології Hyper-Threading, яка дозволяє кожному фізичному ядру процесора імітувати два віртуальних ядра, що дозволяє ще більше прискорити виконання багатопотокових додатків;

■ технологія Enhanced Intel Speed Step Technology не підтримується;

■ незаблокований коефіцієнт множення, що спрощує розгін процесора.

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику шостого покоління процесорів: Р6 (686).

2. Дайте коротку характеристику процесорів: P7 (Intel Pentium 4).

3. Дайте коротку характеристику процесорів Intel Core.

Тема. ШОСТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ:ПРОЦЕСОРИ INTEL CORE.

1. Процесори Intel Core

У ході серійного виробництва процесорів Pentium 4 компанія Intel дійшла висновку, що надто високе енергоспоживання архітектури NetBurst стає серйозною проблемою. З підвищенням тактової частоти зростає і споживана потужність. Тому компанія Intel взяла за основу мобільний процесор Pentium М і додала до нього деякі нові функції і технології, що підвищують продуктивність. Нові процесори створювалися з прицілом на багатоядерність. Результатом цих розробок став процесор Core 2, представлений 27 липня 2006.

2. Сімейство процесорів Intel Core 2

Внутрішня архітектура процесорів Core 2 отримала назву Core. Вона забезпечила на 40% вищу продуктивність і на таку ж величину більш низьке енергоспоживання в порівнянні з процесорами Pentium D. Core 2 Duo є двоядерним процесором третього покоління. Перше покоління представляв Pentium D для настільних систем, а друге – Core Duo для мобільних комп’ютерів.

Назва процесора Core 2 та архітектури Core вносять плутанину, оскільки ця назва використовувалася для процесорів Core Duo і Core Solo «спадкоємців» Pentium М в сімействі процесорів для мобільних систем. Справа в тому, що в процесорах Core Solo/Duo не реалізована архітектура Core і мають зовсім відмінну внутрішню структуру і не належать одного сімейства з Core 2.

Процесор Core 2 спочатку був випущений як двоядерний, проте з тих пір вийшла і його чотирохядерна версія. Двоядерна версія містила 291 млн. транзисторів, тоді як в чотирьохядерний їх удвічі більше, тобто 582 млн. Вони містять 1-2 Мбайт кеш-пам’яті першого рівня в розрахунку на кожне ядро і до 8 Мбайт кеш-пам’яті другого рівня в чотирьохядерний версії. Спочатку вони створювалися на 300-міліметровій підкладці з використанням 0,065-мікронного процесу, проте згодом з’явилися і версії з 0,045-мікронним процесом.

Основні відмінні особливості архітектури Core наведені нижче.

■ Широке динамічне виконання. Кожне внутрішнє ядро виконання на 33% ширше, ніж в попередніх поколіннях, і дозволяє виконувати одночасно до чотирьох повних інструкцій. Додатковий прогрес в продуктивності досягнуто і за рахунок більш точного передбачення переходів, більш глибокого аналізу коду та інших функцій, що скорочують час виконання.

■ Інтелектуальна система енергопостачання. Інтерактивна система включення внутрішніх підсистем процесора тільки у разі їх необхідності.

■ Загальний інтелектуальний кеш. Багатоядерний оптимізований кеш збільшує ймовірність того, що дані, необхідні кожному з ядер, будуть доступні в загальному кеші другого рівня.

■ Інтелектуальний доступ до пам’яті. Включає засіб так званого «усунення суперечностей у пам’яті», який містить спеціальні алгоритми, що дозволяють з досить високою ймовірністю встановлювати залежність послідовних команд збереження і завантаження даних, таким чином, дає можливість застосовувати випереджаюче виконання інструкцій до цих команд.

■ Розширена обробка цифрового мультимедіа. Підвищення в два рази продуктивності виконання потокових інструкцій SIMD (SSE) за рахунок обробки всієї 128-розрядної інструкції за один такт.

В даний час сімейство Core 2 включає двох- і чотириядерні процесори, випущені під такими назвами:

■ Core 2 Duo – стандартний двоядерний процесор;

■ Celeron – одно- або двоядерні процесори початкового рівня;

■ Core 2 Quad - стандартний чотирьохядерний процесор;

■ Core 2 Extreme - вдосконалені версії двох- і чотирьохядерних процесорів.

Всі процесори сімейства Core 2 підтримують 64-розрядні розширення, а також набір інструкцій SSE3 (в який додані 32 нові інструкції SIMD). У них також підтримуються технологія Enhanced Intel Speedster (EIST) і технологія віртуалізації.

3. Процесори Intel Nehalem (Core і)

Мікроархітектура Nehalem – спадкоємиця мікроахрхітектури Core 2 компанії Intel. Процесори Nehalem також відомі як процесори сімейства Core і Series. До ключових особливостей даного сімейства відносяться інтеграція в процесор контролера пам’яті, а в деяких моделях і всього північного моста, в тому числі і опціонального інтегрованого відеоадаптера.

Першим представником сімейства Core і Series був процесор Core І7, представлений в листопаді 2008 року. Спочатку використовувався технологічний процес 45 нм, однак більш нові моделі Core і виробляються вже з використанням технологічного процесу 32 нм, що дозволило зменшити розміри кристала і енергоспоживання, при цьому значно збільшивши продуктивність. Всі процесори сімейства підтримують пам’ять DDR3 і оснащені кеш-пам’яттю L3; деякі процесори підтримують технологію Hyper-Threading (НТ).

Існують два основних варіанти процесорів сімейства Core і Series.Призначені для ПК високого рівня процесори випускаються у виконанні Socket LGA 1366, у той час як більш масові моделі призначені для установки в гніздо Socket LGA1156. Моделі для масових ПК містять інтегрований двоканальний контролер пам’яті DDR3, графічний інтерфейс і опціальний сучасний інтегрований відеоадаптер. Оскільки базова функціональність північного моста інтегрована в процесор, процесори у виконанні Socket LGA 1156 використовують для взаємодії з південним мостом на системній платі більш повільну версію інтерфейсу DMI (Direct Media Interface) з пропускною здатністю 2 Гбайт с.

Процесори Core і 900 Series у виконанні Socket LGA 1366 містять трьохканальний контоллер пам’яті DDR3 і підтримують продуктивну шину QPI (Quick Path Interconnect), яка використовується для взаємодії з північним мостом (який називається I О Hub або ІОН) на системній платі. Мікросхема ІОН реалізує графічний інтерфейс PCIe.

Першими представниками сімейства Core і Series є процесори Core i5 і Core І7. Надалі до них приєдналися процесори Core І3(2 ядра) і Core I9 (6 ядер), що дозволило охопити весь діапазон від початкового до високого рівня.

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику шостого покоління процесорів: Р6 (686).

2. Дайте коротку характеристику процесорів: P7 (Intel Pentium 4).

3. Дайте коротку характеристику процесорів Intel Core.

Тема. ПРОЦЕСОРИ AMD K6. ПРОЦЕСОРИ AMD K7.

1. Процесори AMD К6

AMD виробляла процесори типу Р6, перші версії яких були сумісні з системами платами класу Р5, призначеними для ринку ПК початкового рівня. Потім компанія AMD запропонувала процесори Athlon і Duron, які були справжніми процесорами шостого покоління і призначалися для установки в гніздо фірмової розробки.

Nexgen Nx586

Компанію Nexgen заснував Тампи Томас, один з творців процесорів 486 і Pentium в Intel. У Nexgen він розробив процесор Nx586, функціонально еквівалентний Pentium, але не сумісний з ним по роз’єму. Він завжди поставлявся з системною платою (фактично був впаяний в неї). Компанія Nexgen не виготовляла мікросхеми та системні плати; для цього вона укладала контракти з IBM Microelectronics. Пізніше Nexgen була куплена компанією AMD; проект Nx586 був об’єднаний з AMD К5, і таким чином був «створений» процесор AMD К6.

Процесор Nx586 мав усі стандартні можливості процесора п’ятого покоління: суперскалярне виконання з двома внутрішніми конвеєрами і вбудованою високоефективною кеш-пам’яттю першого рівня. Перевага цього процесора полягало в тому, що у нього був окремий кеш для команд ємністю 16 Кбайт і кеш для даних ємністю 16 Кбайт (у Pentium обсяг кешу становив усього 8 Кбайт). У цих кешах зберігаються команди і дані які часто використовуються.

У Nx586 було включено засіб передбачення переходів, яке також є одним з ознак процесора шостого покоління. Тому процесор міг передбачати потік виконуваних команд і оптимізувати виконання програми.

Ядро процесора Nx586 також RISC-подібне. Модуль трансляції динамічно транслює команди х86 в команди RISC86. Команди RISC86 були розроблені спеціально для підтримки архітектури х86 при дотриманні принципів ефективності RISC. Виконувати команди RISC86 простіше, ніж команди х86. Дана можливість реалізована тільки в процесорах класу Р6.

Виробництво процесора Nx586 було припинено після об’єднання з компанією AMD, яка використовувала архітектуру наступного процесора, Nx686, при розробці процесора AMD- K6.

Серія AMD- K6

Це високоефективний процесор шостого покоління, що встановлюється на системних платах для процесорів Р5 (Pentium). Фактично він був розроблений компанією Nexgen для AMD і раніше був відомий під кодовою назвою Nx686. Процесор Nx686 так і не побачив світ, оскільки компанія NexGen була куплена AMD ще перед його випуском на ринок. За рівнем ефективності AMD- К6 займає проміжне положення між Pentium і Pentium II.

У процесорі AMD-К6 відповідно до промислових стандартів реалізована нова система команд мультимедіа (ММХ), яка була оновлена в процесорах AMD К6-2 і стала називатися 3DNow!. Компанія AMD розробила процесор К6 з гніздом типу Socket 7. Це дозволило виробникам комп’ютерів створювати системи, які можна легко модернізувати. Спочатку для виробництва цих процесорів застосовувався 0,35-мікронний процес; пізніше з метою підвищення продуктивності при зменшенні розміру ядра і енергоспоживання був проведений перехід на 0,25-мікронний процес.

Технічні характеристики процесора AMD-К6:

■ внутрішня архітектура шостого покоління, зовнішній інтерфейс п’ятого покоління;

■ внутрішнє RISC-ядро, що транслює команди х86 в команди RISC;

■ суперскалярні модулі виконання команд (сім);

■ динамічне виконання;

■ передбачення переходів;

■ випереджаюче виконання;

■ великий кеш об’ємом 64 Кбайт;

■ вбудований модуль для виконання операцій над числами з плаваючою комою (FPU);

■ промисловий стандарт підтримки команд ММХ;

■ режим SMM;

■ гніздо типу Socket 7 конструкції Ceramic Pin Grid Array (CPGA);

■ використання при виготовленні 0,35- і 0,25-мікроннної технології для п’яти шарів.

Архітектура AMD- К6 повністю х86-сумісна, що дає можливість запуску будь-якого програмного забезпечення Intel, а також підтримку інструкцій ММХ. Щоб компенсувати низьку продуктивність кеш-пам’яті L2 процесорів у виконанні Socket 7, компанія AMD збільшила розмір кеш-пам’яті L1 до 64 Кбайт, що в два рази перевищує об’єм кеш-пам’яті першого рівня у процесорів Pentium II і Pentium III. Крім того, динамічна дія, реалізована в К6 для переваги над Pentium, дозволила конкурувати з процесорами Pentium II і Pentium III.

Спадкоємцями семества К6 були процесори К6-2 і К6-3. К6-2 підтримував більш високі тактові частоти і частоту шини (до 100 МГц), а також новий набір інструкцій 3DNow!. Процесор К6-3, крім того, отримав 256 Кбайт інтегрованої кеш-пам’яті L2, що працює на частоті ядра. Додання кеш-пам’яті L2, яка працює на частоті ядра до ядра К6-3 відіграло важливу роль, оскільки це дозволило повноцінно конкурувати з процесором Intel Pentium III, хоча і призвело до занадто високого температурного режиму. Як результат, виробництво процесорів К6-3 було припинено.

Перші процесори К6 містили 8,8 мільйона транзисторів і випускалися з використанням технологічного процесу 0,35 мкм і п’ятишарового дизайну. Площа ядра становила близько 162 мм. Процесори К6-3 містили 21,3 мільйона транзисторів і випускалися з використанням технологічного процесу 0,25 мкм. Площа ядра становила близько 118 мм.

2. Процесори AMD К7. Процесор AMD Athlon

Процесор Athlon – наступний після сімейства К6 продукт компанії AMD. Це абсолютно нова розробка і конкурент сімейства процесорів Pentium III. Компанія AMD почала виробництво цих процесорів в корпусі для роз’єму Slot А, який подібний до корпусів Pentium II / III. Оригінальний процесор Athlon має 512 Кбайт зовнішньої кеш-пам’яті другого рівня, що працює на частоті половини частоти ядра і розташованої в картриджі процесора.

У червні 2000 року AMD випустила оновлену версію Athlon (кодова назва Thunderbird), в якій кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 256 Кбайт знаходиться на одному кристалі з ядром процесора і працює на його частоті. Також, був створений новий корпус типу PGA для гнізда Socket A (Socket 462), який прийшов на зміну картриджу для роз’єму Slot А (рис.).

Компанія AMD випускала процесори Athlon з тактовими частотами 550- 1400 МГц, в яких використовувалася шина типу EV6 з частотою 200 / 266 МГц для підключення до північного моста системної плати. Оскільки шина є 64- розрядною (8 байт або 64 біт), її пропускна здатність становить 1,6 або 2,1 Гбіт/с (передача 8 байт на частоті 200 або 233 МГц).

Процесор AMD Athlon містить вбудовану кеш-пам’ять першого рівня об’ємом 128 Кбайт, а також зовнішню кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт, робоча частота якої дорівнює половині, двом п’ятим або однієї третини частоти ядра. У пізніших версіях процесорів Socket A Athlon та більшості процесорів Athlon ХР використовується кеш-пам’ять об’ємом 256 Кбайт, що працює на повній частоті ядра процесора. В останніх версіях процесорів Athlon ХР підтримується кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт. Кеш-пам’ять всіх процесорів формфактора PGA для гнізда Socket А працює на повній частоті ядра. AMD Athlon підтримує технології ММХ і Enhanced 3DNow..

Процесор AMD Duron

Анонсований у червні 2000 року процесор AMD Duron (кодова назва - Spitfire) являє собою модифікацію AMD Athlon і займає приблизно те ж положення на ринку ПК, що і процесор Celeron в сімействах Pentium II і III. По суті, Duron є процесором Athlon із зменшеною кеш-пам’яттю другого рівня; за іншими параметрами вони практично не відрізняються. AMD Duron містить внутрішню кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 64 Кбайт і випускається для роз’єму Socket А. За винятком маркування процесори Duron були ідентичні першим версіями процесора Athlon у виконанні Socket А.

Спочатку Duron створювався як конкурент процесору Celeron на ринку ПК економ-класу.

Процесор AMD Athlon ХР

Athlon ХР – це найсучасніша версія процесора Athlon. По суті, вона відрізняється від попереднього процесора Athlon тільки додатковим набором команд, що підтримує команди Intel SSE, і новою маркетинговою схемою, яка конкурує безпосередньо з Pentium 4. Також процесори Athlon ХР містять збільшений об’єм кеш- пам’яті другого рівня (512 Кбайт), що працює на повній частоті ядра.

Для визначення архітектури процесора Athlon ХР в компанії AMD використовується термін «QuantiSpeed», який є скоріше ринковим, ніж технічним.

Розглянемо основні властивості процесора.

■ Дев’ятиступеневий суперскаляр, повністю конвеєризована мікроархітектура. Ця функція забезпечує більшу кількість магістралей для передачі команд в операційні блоки центрального процесора і включає три оперативних модуля з плаваючою комою, три модулі цілих чисел і три модулі адресного обчислення.

■ Суперскалярна архітектура, повністю конвеєризований модуль обчислення з плаваючою комою. Ця функція забезпечує більш швидке виконання операцій.

■ Апаратна підтримка попереджуючої вибірки даних. Ця функція витягує необхідні дані з системної пам’яті і для скорочення часу доступу поміщає їх в процесор, зокрема в кеш-пам’ять першого рівня.

■ Покращення буфера швидкого перетворення адреси (TLB). Дозволяють процесору значно прискорити доступ до збережених даних, уникаючи при цьому дублювання даних або зупинку через відсутність оперативної інформації

Описані конструктивні поліпшення дозволяють збільшити обсяг обчислень, які виконуються процесором протягом кожного такту, завдяки чому «повільні» Athlon ХР по багатьох показниках перевершують Pentium 4.

Ядро Palomino процесора Athlon ХР використовується також в мобільних процесорах Athlon 4 (в портативних комп’ютерах). Останні моделі створені на основі поліпшеного ядра Thoroughbred, архітектура якого була переглянута для досягнення кращих температурних характеристик. Різні версії цього ядра іноді позначаються як Thoroughbred-A і Thoroughbred-B. У нових процесорах Athlon ХР використовується ядро Barton з кеш-пам’яттю другого рівня об’ємом 512 Кбайт, що працює на повній частоті ядра.

Існує також цілий ряд додаткових можливостей характерних для процесора Athlon ХР:

■ набір мультимедійних команд 3DNow! Professional (у тому числі сумісність з 70 додатковими командами SSE);

■ шина FSB з тактовою частотою 266/333 МГц;

■ кеш-пам’ять першого рівня об’ємом 128 Кбайт і вбудована кеш-пам’ять другого рівня об’ємом 256 або 512 Кбайт, що працює на повній частоті процесора;

■ мідна розводка (що використовується замість алюмінієвої), яка дозволила підвищити електричну віддачу і зменшити нагрів процесора.

Новий корпус дозволив домогтися більш ефективної компоновки електричних елементів. Останні версії процесора Athlon ХР виготовлені за 0,13- мікронної технології, що дало можливість створити мікросхему з меншим кристалом, що споживає меншу напругу, генеруючи меншу кількість тепла і працюючим з більш високою частотою, ніж попередні моделі. Сучасні версії 0,13-мікронного процесора Athlon ХР працюють з тактовою частотою 2 ГГц і вище.

Athlon ХР був згодом замінений процесором Sempron версії Socket А.

Процесор Athlon МР

Це перший процесор компанії AMD, який призначений для використання в таких багатопроцесорних системах, таких як сервери і робочі станції. Існують три версії процесора, кожна з яких заснована на тій чи іншій моделі процесорів Athlon і Athlon ХР.

■ Model 6 (1 і 1,2 ГГц). На базі Athlon Model 4.

■ Model 6 OPGA (від 1500 + до 2100 +). На базі Athlon ХР Model 6.

■ Model 8 (2000 +, 2200 +, 2400 +, 2600 +). На базі Athlon ХР Model 8.

■ Model 10 (2500 +, 2800 +, 3000 +). На базі Athlon ХР Model 8 плюс кешпам’ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт.

Всі процесори Athlon МР використовують гніздо Socket А. На зміну процесору Athlon МР прийшов AMD Opteron.

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику процесорів AMD K6.

2. Дайте коротку характеристику процесорів AMD K7.

Тема. ПРОЦЕСОРИ AMD K8. ПРОЦЕСОРИ AMD K10 (PHENOM).

1. Процесори AMD К8

AMD Athlon 64 і Athlon 64 FX

Процесори AMD Athlon 64 і Athlon 64 FX, представлені у вересні 2003 року, є першими 64-розрядними процесорами, призначеними для настільних ПК. Початкова кодова назва цієї моделі ClawHammer. До сімейства 64- розрядних процесорів AMD також відноситься Opteron, створений для використання в серверних системах (кодова назва-SledgeHammer). Процесори Athlon 64 і Athlon 64 FX адаптовані до однопроцесорних систем процесорів Opteron.

Крім підтримки 64-розрядних інструкцій, істотна відмінність Athlon 64 і Athlon 64 FX від інших процесорів полягає в тому, що в них інтегрований контролер пам’яті. Зазвичай контролер пам’яті вбудований в північний міст або відповідний модуль hub - архітектури (МСН) на системній платі, проте у разі Athlon 64 і Athlon 64 FX він розташований безпосередньо в процесорі, тобто вони взаємодіють з пам’яттю безпосередньо, а до північного мосту звертаються, коли необхідно працювати з іншими компонентами. Це дозволило значно підвищити швидкодію не тільки обміну даними з пам’яттю, а й процесорної шини в цілому. Основна відмінність між процесорами Athlon 64 і Athlon 64FX полягає в різних обсягах кеш-пам’яті другого рівня і різної пропускної здатності шини пам’яті.

Основні характеристики Athlon 64:

■ тактові частоти - від 1,0 до 3,0 ГГц;

■ від 68,5 (версія з 512 Кбайт кеш -пам’яті L2) до 129 млн. транзисторів (версія з 1 Мбайт кеш- пам’яті);

■ 12 -ступінчастий конвеєр;

■ контролер пам’яті DDR з підтримкою корекції помилок ЕСС вбудований в процесор (а не в північний міст або МСР, як в колишніх наборах мікросхем системної логіки);

■ одноканальний (Socket 754) або двоканальний (Socket 940, Socket 939 і Socket АМ2) контролер пам’яті;

■ кеш- пам’ять першого рівня об’ємом 128 Кбайт;

■ кеш- пам’ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт або 1 Мбайт;

■ підтримка технології AMD64 (також званої 1А - 32е, х86 - 64 або ЕМ64Т), додає 64-розрядні розширення до традиційної 32-розрядної архітектури х86;

■ високошвидкісне з’єднання HyperTransport з набором мікросхем системної логіки: до 3,2 Гбіт / с в Socket 754 і до 4 Гбіт / с в Socket 940, Socket 939 і Socket АМ2;

■ адресація оперативної пам’яті об’ємом до 1 Тбайт, що долає обмеження в 4 або 64 Гбайт, що існує для 32-розрядних процесорів;

■ підтримка інструкцій SSE2 (інструкції SSE, а також 144 нові інструкції для обробки графіки і звуку);

■ кілька енергозберігаючих станів;

■ 0,13-мікронний (ядра ClawHammer і Newcastle) або 0,09-мікронний (ядра Winchester, Venice і San Diego) технологічний процес.

Відмінності процесора Athlon 64 FX від стандартного процесора Athlon 64:

■ підтримка тільки гнізд Socket 939, Socket 940 і Socket AM;

■ підтримка тільки гнізд Socket 939, Socket 940 і Socket AM;

■ версії для гнізда Socket 940 вимагають використання реєстрової пам’яті;

■ тактові частоти - від 2,2 до 2,8 ГГц;

■ кеш- пам’ять другого рівня L2 об’ємом 1 Мбайт.

Процесори Athlon 64 і Athlon 64 FX випускаються для чотирьох типів гнізд. Процесори для гнізда Socket 939 підтримують більш швидкі і дешеві небуферизованні модулі DDR SDRAM DIMM, процесори для гнізда Socket 940 повільніші і дорогі реєстрові модулі DIMM.

Процесори Athlon 64 і Athlon 64 FX можуть споживати до 104 Вт, як і в системних платах Pentium 4 системні плати для процесорів Athlon 64 мають роз’єм ATX12V.

Перша версія ядра Athlon 64 створена по 0,13-мікронної технології. Подальші версії створювалися за 0,09-мікронного процесу.

Процесор Sempron (Socket А)

Компанія AMD представила сімейство процесорів Sempron в 2004 році, щоб забезпечити конкуренцію з бюджетними процесорами Intel Celeron D.Назва «Sempron» є універсальною, оскільки під цією торговою маркою поставляються процесори для гнізда Socket А (вони призначені для заміни процесорів Athlon ХР), а також процесори для гнізда Socket 754, 939, АМ2 і АМ3 на базі процесорів Athlon 64 і Athlon 64 Х2.

Моделі Sempron Х2 – двоядерні процесори на базі Athlon Х2. Різниця полягає в тому, що процесори Sempron працюють на меншій частоті, оснащені кеш-пам’яттю меншого обсягу, а іноді підтримують менше функцій, щоб забезпечити меншу вартість.

Оскільки AMD пропонує велику кількість варіацій Sempron щоб заплутатися слід відвідати сайт AMD Desktop Processor Comparison (http://products.amd.com/en-us/DesktopCPUResult.aspx), де є точна специфікація процесорів, включаючи тип гнізда, напруга живлення, обсяг кешпамяті та інші характеристики. (Якщо номер специфікації не відомий, детальну інформацію про процесор можна отримати за допомогою діагностичних утиліт, таких як CPU- Z)

Процесори AMD Athlon X2, Athlon 64 X2 і 64 FX

Процесор для настільних систем Athlon 64 Х2 був представлений в травні 2005 року; при цьому він випускається в одному з декількох варіантів.

Решта основних характеристик Athlon 64 Х2 наведені нижче.

■ 0,09- або 0,065-мікронний технологічний процес;

■ реальні тактові частоти - 1,9-3,0 ГГц;

■ виконання Socket 939, Socket АМ2 або Socket 1207FX;

■ шина HyperTransport з частотою 1 ГГц (пропускна здатність - 4 Гб/с).

Дані процесори спочатку проектувалися з додатковим місцем для другого ядра. Завдяки перехресному контролеру пам’яті ядра можуть взаємодіяти напряму, не звертаючись до мікросхеми північного мосту, як у першому поколінні двоядерних процесорів Intel.

В результаті більшість систем на базі процесорів Athlon 64 для гнізда Socket 939 допускає модернізацію процесора до двоядерного без заміни системної плати. Якщо системна плата підтримує процесори, виконані за 0,09- мікронною технологією, значить, для забезпечення підтримки двоядерних процесорів достатньо оновити BIOS.

Ще одна перевага підходу AMD полягає в тому, що перехід до двоядерних процесорів практично не позначався на їх температурному режимі роботи. Оскільки процесори Athlon 64 спочатку проектувалися з урахуванням майбутньої двоядерної архітектури, вплив другого ядра на температурний режим виявилося мінімальним.

2. Процесори AMD К10 (Phenom)

Перші представники архітектури К10, процесори Phenom, були представлені в листопаді 2007 року.

До складу процесорів AMD Phenom входять рішення, що містять від 1 до 4 ядер К10 на одному кристалі. Сюди входять такі процесори, як Phenom, Phenom II, Athlon II, а також деякі моделі Athlon Х2 і Sempron. Перші версії випускалися у виконанні Socket АМ2+ і підтримували пам’ять DDR2. Більш нові версії вже випускається у виконанні Socket АМ3 і підтримують пам’ять DDR3.

Процесори цього сімейства вироблялися з використанням технологічного процесу 65 нм, в той час як нові версії випускаються за допомогою технологічного процесу 45 нм, що дозволило зменшити розмір ядра і енергоспоживання, а також збільшити продуктивність. Процесори верхнього рівня містять три або чотири ядра, кеш-пам’ять L3, а також працюють з більш високими тактовими частотами і частотою шини HyperTransport (2 ГГц).

Контрольні запитання

1. Дайте коротку характеристику процесорів AMD K8.

2. Дайте коротку характеристику процесорів AMD K10 (Phenom).

Тема. ЖИВЛЕННЯ ПРОЦЕСОРІВ. СПІВПРОЦЕСОРИ. МОДЕРНІЗАЦІЯ ПРОЦЕСОРА

1. Напруга живлення процесорів

Останнім часом простежується тенденція до зниження напруги живлення процесорів. Чим менша споживана напруга, тим дешевше обходиться функціонування системи; тим довше може працювати комп’ютер на одній і тій же батареї; при більш низькій споживаній потужності виділяється менше тепла. Процесор і вентилятор можна розміщувати ближче до інших компонентів, тобто упаковка системи може бути більш щільною; крім того, термін служби процесора зростає. До переваг можна віднести і те, що процесор разом з вентилятором споживає меншу потужність, а тому може працювати швидше. Саме завдяки зниженню напруги вдалося підвищити тактову частоту процесорів, (чим нижча напруга, тим менше часу необхідно для зміни рівня сигналу з низького на високий.)

Починаючи з Pentium Pro всі нові процесори автоматично визначають параметри напруги за допомогою регулятора, вбудованого в системну плату. Для цього застосовуються контакти VID.

Системні плати останніх версій дозволяють з метою підвищення продуктивності скасовувати встановлене значення напруги. Причому цю величину можна змінити вручну, адже для розгону процесора досить збільшити напругу на десяту частину вольта. Та в цьому випадку збільшується нагрів процесора.

2. Математичні співпроцесори

З будь-якими процесорами Intel (та їх аналогами) можуть використовуватися співпроцесори. З тих пір як компанія Intel розташувала співпроцесор на одному кристалі з процесором 486DX, всі співпроцесори, що випускаються Intel і AMD, розташовані на тому ж кристалі, що і сам процесор. Співпроцесори виконують операції з плаваючою комою, які вимагали б від основного процесора великих витрат машинного часу. Хороший результат можна отримати тільки при виконанні програм, написаних з урахуванням використання співпроцесора. Всі Intel-сумісні процесори п’ятого і шостого поколінь (наприклад, компаній AMD і Cyrix) оснащувалися інтегрованим пристроєм для операцій з плаваючою точкою (FPU).

Співпроцесори виконують такі складні операції, як ділення довгих операндів, обчислення тригонометричних функцій, витяг квадратного кореня і знаходження логарифма, в 10-100 разів швидше ніж основний процесор і при цьому значно точніше. Операції додавання, віднімання та множення виконуються основним процесором і не передаються співроцесору.

Система команд співпроцесора відрізняється від системи команд процесора. Програма, що виконується повинна сама визначати наявність співпроцесора і після цього використовувати написані для нього інструкції, інакше співпроцесор тільки споживає струм і нічого не робить. Більшість сучасних програм, розрахованих на застосування співпроцесорів, виявляють його присутність і використовують надані можливості. Найбільш ефективно співпроцесори використовуються в програмах зі складними математичними розрахунками: в електронних таблицях, базах даних, статистичних програмах і системах автоматизованого проектування. У той же час при роботі з текстовими редакторами співпроцесор абсолютно не використовується.

3. Помилки процесорів

Виробники процесорів використовують спеціальне обладнання для тестування своєї продукції, однак наявність певних помилок все ж можливо. Найкращим пристроєм для перевірки процесора є сама комп’ютерна система, в якій користувач може скористатися будь-якими діагностичними утилітами для тестування різних компонентів системи.

Оскільки процесор - це «мозок» комп’ютерної системи, багато систем не працюють при наявності пошкодженого процесора.

Деякі системні проблеми закладені в процесор ще на етапі його проектування, хоча такі дефекти зустрічаються вкрай рідко.

4. Кодові назви процесорів

Розробляючи процесори, компанії Intel, AMD і Cyrix завжди дають їм кодові назви. Передбачається, що вони не будуть широко використовуватися, але часто все відбувається навпаки. Кодові назви зустрічаються в журнальних статтях, присвячених майбутнім поколінням процесорів, а іноді навіть в посібниках з системними платами, оскільки вони застосовуються ще до офіційного представлення процесорів.

Компанія Intel публікує достатньо повний список кодових назв процесорів, наборів мікросхем, системних плат і навіть Ethernet- контролерів на своєму сайті. Компанія AMD на своєму сайті відомостей про кодові іменах продуктів не публікує, проте цю інформацію можна знайти, звернувшись до пошукових засобів в Інтернеті.

5. Модернізація процесора

При створенні процесора 486 і пізніших, враховуючи необхідність подальшого нарощування обчислювальних можливостей, компанія Intel розробила стандартні гнізда типу, які підходять для ряду процесорів. Ця тенденція зберігається і зараз, при цьому більшість материнських плат здатне підтримувати досить широкий спектр процесорів одного сімейства.

Щоб максимально використовувати можливості системної плати, можна встановити найшвидший процесор з числа підтримуваних даною платою.

Модернізація процесора в деяких ситуаціях дозволяє подвоїти швидкодію системи. Однак, якщо в системі вже встановлений найшвидший з процесорів для певного гнізда, необхідно розглянути й інші варіанти. Зокрема, можна подумати про повну заміну системної плати, що дозволить встановити більш сучасний процесор.

6. Розгін

Одним з найбільш популярних варіантів модифікації, спрямованої на підвищення швидкодії є розгін. Після установки великих значень частоти процесора підвищується і його швидкодія. Практично всі типи процесорів мають «технологічний запас» безпечного збільшення тактової частоти. Наприклад, процесор з частотою 3,0 ГГц здатний працювати на частоті 3,5 ГГц і вище. При розгоні процесор наближається до своєї максимально можливої тактової частоти (зазвичай продуктивність системи збільшується на 10-20%).

Найчастіше розгону піддається процесор, однак розганяти можна й інші компоненти, зокрема пам’ять, відеоадаптер, шини і т.д. При підвищенні частоти збільшується і нагрівання, тому розгін неможливий без модернізації систем охолодження.

Перші експерименти по розгону ПК проводилися ще на початку 1980-х років у часи перших IBM PC, процесор яких працював на частоті 4,77 МГц, потім вони продовжилися після виходу систем АТ, процесор яких працював на частоті 6 МГц. Насправді компанія IBM значно спростила розгін систем АТ, так як кварцовий кристал, за допомогою якого задавалася частота роботи процесора, був встановлений в роз’ємі. У сучасних системах можна здійснювати розгін без заміни будь-яких компонентів системної плати – досить задати відповідні параметри BIOS.

7. Кварцові кристали

Щоб зрозуміти, що ж таке розгін, необхідно знати, від чого залежить швидкість роботи комп’ютерної системи. Основним компонентом в даному випадку є кварцовий кристал. Кварц (діоксид кремнію (SiO) в кристалічній формі) це твердий прозорий матеріал з щільністю 2649 кг/м, температура плавлення якого становить 1750 градусів цельсія. Кварц досить крихкий, однак невелика частка еластичності все ж таки є.

Кварцові кристали використовуються тому, що є п’єзоелектричними, тобто кристал може створювати напругу під впливом механічної сили, а також стискатися і розширюватися під впливом напруги.

П’єзоелектрика може проявляти себе двома способами: або при деформації кристала виникає напруга, або додана напруга призводить до деформації кристала. Кристал за своєю природою є крихким, та він не позбавлений деякої еластичності, а значить, будь-яка деформація може повторюватися. Отже, якщо докладати напругу, деформація кристала між двома крайніми положеннями відбуватиметься з певною частотою. Частота резонансу залежить від форми і розміру кристала: чим менше і тонше кристал, тим вона вища.

Амплітуда коливань дуже мала, приблизно 68 нанометрів на сантиметр; довжина кристала становить усього кілька атомів. Однак при цьому частота коливань виявляється надзвичайно високою, що означає можливість отримання досить великої сили. (Наприклад, при частоті 50 МГц одержувана сила в 5 млн. разів перевищує силу тяжіння.)

Резонатори виготовляються з пластин кварцу, які розрізаються на квадрати, кути яких закругляются, після чого вони закріплюються на плоских дисках, які називаються бланками. Чим тонше диск, тим вище частота резонансу; однак існують певні обмеження, які накладаються на мінімально допустиму товщину диска, оскільки в іншому випадку диск просто зламається.

Форма упаковки кристалів, як і самі кристали, може бути самою різною. Як правило, упаковки виготовляються з металу і мають круглу або витягнуту форму, однак можливе використання інших форм і матеріалів, в тому числі пластику.

8. Тактові генератори сучасних ПК

У сучасному ПК системна плата містить мінімум два кристала; основний кристал використовується для керування швидкістю роботи системної плати та її ланцюгами, а другий – для управління годинником реального часу (RTC). Основний генератор завжди працює на частоті 14,31818 МГц (дане значення може вказуватися і як 14,318 або просто 14,3), а генератор RTC завжди працює на частоті 32,768 кГц.

9. Поради по розгону

Багато сучасних системних плат автоматично визначають такі характеристики процесора і модулів пам’яті, як частота, тимчасової затримки і напругу. На системних платах для процесорів 486 і Pentium відповідні параметри задавалися за допомогою перемичок, однак на сучасних системних платах всі налаштування, як правило, задаються в параметрах BIOS; спочатку настроюється ручний режим управління, а потім - конкретні значення параметрів. У результаті для розгону комп’ютерної системи досить змінити значення всього декількох параметрів.

Концепція розгону дуже проста: ви змінюєте значення параметрів з метою збільшення частоти процесора, пам’яті, шин та інших компонентів до тих пір, поки робота системи не стане нестійкою. Після цього значення параметрів необхідно «послабити» таким чином, щоб відновити стійку роботу системи. У результаті визначаються максимально допустимі значення параметрів, при яких робота системи залишається стабільною. Оскільки всі компоненти унікальні, навіть процесори з однаковою номінальною частотою розганяються по- різному.

Найчастіше любителі розгону купують процесори певної архітектури з мінімальною номінальною частотою, оскільки вартість подібних процесорів виявляється, як правило, набагато нижчою. Іншими словами, можна знайти молодшу модель процесора в серії, яка зможе працювати на такій же високій частоті, як і старша модель. Якщо ж починати з досить швидкісної моделі, навряд чи можна досягти істотного збільшення частоти.

10. Частота шини і коефіцієнти множення

Частота сучасних процесорів багаторазово перевершує частоту системної шини, а сам множник частоти вбудований в процесор. Тому для розгону процесора досить підвищити частоту його шини. Шину процесора також іноді називають шиною переднього плану (FSB).

Більшість системних плат дозволяють збільшувати частоту шини на 50% і більше, проте далеко не кожен процесор зможе працювати при настільки збільшеній частоті, а значить, або система «зависне», або в її роботі відбудеться збій. Також не варто забувати про те, що при збільшенні частоти системної шини на тей ж процентне співвідношення збільшаться частоти шини пам’яті, шини PCI і AGP. Таким чином, якщо пам’ять не здатна працювати на підвищених частотах, система також працюватиме нестабільно або «зависатиме».

Деякі системні плати дозволяють збільшувати напругу, яка подається на процесор, пам’ять і відеоадаптер. При внесенні подібних змін необхідно бути особливо обережним, оскільки, задавши занадто високу напругу, можна просто вивести відповідний компонент з ладу.

11. Установка параметрів напруги процесора

Існує ще один спосіб розгону процесора це зміна характеристики напруги, що подається на центральний процесор. Гнізда та роз’єми сучасних процесорів підтримують автоматичне визначення напруги. Система визначає і встановлює правильну напругу, фіксуючи параметри тих чи інших контактів процесора. Деякі системні плати, зокрема компанії Intel, не допускають будь-яких змін параметрів напруги, в той же час існують системні плати, що дозволяють це зробити. Збільшуючи або зменшуючи стандартну напругу, можна підвищити тактову частоту процесора, не надаючи будь-якого помітного впливу на стійкість роботи системи в цілому. Необережна зміна напруги може призвести до пошкодження процесора або інших компонентів.

Контрольні запитання

1. Для чого знижують напругу живлення процесорів?

2. Для чого призначені математичні співпроцесори?

3. В якому процесорі вперше був розташований співпроцесор на одному кристалі з процесором?

4. Яким чином виявляють помилки процесорів?

5. Для чого використовують кодові назви процесорів?

6. Які основні види модернізації процесора?

7. Як можна «розігнати» процесор?

8. Для чого використовуються кварцові кристали?

9. Які тактові генератори ви знаєте?

10. Які процесори краще «розганяються»?

11. Для чого збільшують частоту шини?

12. Як впливає збільшення напруги на процесор?

Тема. ОХОЛОДЖЕННЯ ПРОЦЕСОРІВ

1. Тепловідводи

У комп’ютерах з швидкісними процесорами, які споживають велику потужність і відповідно виділяють більше тепла, можуть виникати проблеми, пов’язані з перегрівом мікросхем.

Для охолодження процесора потрібно придбати додатковий тепловідвід. У деяких випадках може знадобитися нестандартний радіатор з більшою площею поверхні (тобто з видовженими ребрами). Радіатор допомагає процесору позбутися тепла, яке потім виводиться за межі системного корпусу. Радіатор створений на основі теплового провідника (зазвичай металевого) для перенесення тепла з процесора на ребра радіатора, що мають велику охолоджувальну поверхню. Ефективність радіатора залежить від повітряного потоку, без якої він не зможе відводити надмірне тепло. В корпусі ПК встановлений вентилятор, що обдуває радіатор і виводить тепло за межі корпусу.

Радіатори можуть бути притиснутими до мікросхеми або приклеєними до її корпусу. У першому випадку для поліпшення теплового контакту між радіатором і корпусом мікросхеми їх поверхні слід змастити термопастою. Вона заповнить повітряний зазор, що поліпшить віддачу тепла.

2. Активні тепловідводи

Для підвищення ефективності радіатора в нього вбудовують вентилятори. Такі радіатори називаються активними. Роз’єм живлення вентилятора схожий на звичайний роз’єм живлення накопичувача, але останнім часом випускаються радіатори з вентилятором, який підключається до системної плати.

Роз’єм Socket 478 оснащений двома кріпильними скобами. При цьому забезпечується дуже надійне кріплення, що дозволяє переносити системний блок навіть після установки важких радіаторів. Крім того, завдяки сильному натиску забезпечується хороший контакт між термоінтерфейсом, нанесеним на радіатор, і процесором.

Система охолодження процесорів для гнізд Socket АМ2, 930, 939 і 754. Тут використовується механізм кріплення, подібний механізму активного радіатора роз’єму Socket 478, але фіксуюча засувка розташована тільки з одного боку. Для запобігання деформації системної плати з іншого її боку навпроти процесорного гнізда закріплена пластина з кріпильної рамкою, в яку вставляється радіатор. Як правило, кріпильна рамка і задня пластина поставляються вже встановленими на системну плату, а активний радіатор - разом з процесором.

Нові вентилятори оснащені 4-контактним роз’ємом, а не стандартним 3- контактним; 4-й контакт використовується для керування швидкістю обертання. Вони відомі як вентилятори з імпульсною модуляцією, оскільки використовують імпульсний сигнал, що подається материнською платою для точної вказівки швидкості обертання у великому діапазоні. При використанні імпульсної модуляції материнська плата може відстежувати температуру системи і процесора і відповідним чином плавно регулювати швидкість обертання вентилятора.

Тепловідводи, які призначені для гнізд LGA775, LGA1156 або LGA1366, зазвичай містять пластикові засувки, які вставляються в отвори на материнській платі. Для установки такого тепловідведення потрібно відхилити засувки в бік, протилежний напрямку стрілки, а потім натиснути на верхню частину, поки засувки не зафіксуються в отворах материнської плати.

3. Установка радіатора

Щоб забезпечити найкращий відвід тепла від процесора, більшість виробників радіаторів використовують термічну речовину, яка розміщується між процесором і поверхнею радіатора. Цей матеріал являє собою білу пасту, створену на основі оксиду алюмінію, а також на керамічній або срібній основі.

Тепловий провідник значно розширює можливості радіатора. Теплові матеріали характеризуються теплопровідністю (чим більше її коефіцієнт, тим краще) і термічним опором (тут навпаки: чим менше, тим краще). У будь-якому матеріалі, чим більша площа або чим менша товщина, тим більший тепловий опір.

4. Рідинне охолодження

Рідинне охолодження є одним з найбільш радикальних методів охолодження ПК. Рідини здатні набагато швидше передавати тепло, ніж повітря, тому, так як процесори виділяють все більше і більше тепла, системи рідинного охолодження є все більш привабливим, особливо в умовах обмеженого простору всередині корпусу.

Існує кілька видів систем рідинного охолодження:

■ теплові трубки;

■ водяне охолодження;

■ кріогенне охолодження.

Кожна з перелічених схем передбачає використання рідини або пари для поглинання тепла, що виділяється процесором або іншими компонентами, а також для відводу даного тепла до теплообмінника, який, як правило, передає тепло навколишньому середовищу. Отже, всі системи рідинного охолодження в тому чи іншому вигляді використовують і повітряне охолодження; відмінність полягає в тому, що теплообмінник, який віддає тепло повітрю, розташований на відстані від компонентів ПК, які необхідно охолодити. При цьому з’являється можливість використовувати теплообмінник (радіатор) набагато більшого розміру, ніж у тому випадку, якби його доводилося закріплювати на процесорі або інших мікросхемах.

5. Корпуси з поліпшеними температурними характеристиками

Оскільки процесори виділяють все більше тепла, розробникам довелося внести певні зміни в конструкцію корпусів для забезпечення належного охолодження навіть найшвидших сучасних процесорів без використання дорогих систем охолодження.

У блоках живлення завжди використовувалися вентилятори. Протягом багатьох років одного вентилятора вистачало для охолодження не тільки блоку живлення, але і системи в цілому, в тому числі процесора. Процесори комп’ютерів до появи процесора 486 навіть не оснащувалися радіатором, так як виділяли всього кілька ват тепла. Пасивні радіатори стали стандартним компонентом ПК з моменту появи в 1992 році процесорів 486DX2, які виділяли до 5,7 Вт Активні радіатори вперше з’явилися в процесорах Pentium виробництва компанії Intel. Донедавна комп’ютерні корпуси (шасі) не поставлялися з вентиляторами охолодження, за винятком вентилятора, встановленого в блоці живлення.

Вперше корпусні вентилятори з’явилися в готових комп’ютерних системах в середині 1990-х років, оскільки це дозволяло використовувати менш дорогі пасивні радіатори для охолодження процесорів (набагато вигідніше використовувати один корпусний вентилятор для охолодження системного блоку і процесора, ніж встановлювати на процесор активний радіатор). Однак у 2000 році разом з випуском процесора Pentium 4 багато систем стали оснащуватися не тільки активним радіатором для процесора (тобто радіатором, оснащеним вентилятором), а й корпусним вентилятором. У більшості сучасних комп’ютерних систем використовуються три вентилятора: один – в блоці живлення, інший – на радіаторі процесора і ще один – на задній панелі корпусу. В деяких системах встановлено більше вентиляторів, однак використання трьох вентиляторів вважається найбільш економічно виправданим.

6. Поліпшення продуктивності тепловідведення

Досить ефективним методом поліпшення продуктивності радіатора є зниження температури навколишнього середовища навколо процесора, що означає зменшення температури радіатора. Для забезпечення належного охолодження виробники процесорів компанії Intel і AMD вказують максимально допустимі значення температури навколишнього середовища. Практично всі сучасні системи та радіатори проектуються таким чином, щоб забезпечити коректну роботу при температурі навколишнього середовища на рівні 35 °С. Щоб забезпечити роботу при більш високих значеннях температури навколишнього середовища, потрібні спеціальні системи охолодження.

Досить ефективним методом поліпшення продуктивності радіатора є зниження температури навколишнього середовища навколо процесора, що означає зменшення температури радіатора. Для забезпечення належного охолодження виробники процесорів компанії Intel і AMD вказують максимально допустимі значення температури навколишнього середовища. Практично всі сучасні системи та радіатори проектуються таким чином, щоб забезпечити коректну роботу при температурі навколишнього середовища на рівні 35 °С. Щоб забезпечити роботу при більш високих значеннях температури навколишнього середовища, потрібні спеціальні системи охолодження.

Звичайні корпусу просто не в змозі забезпечити настільки малу різницю між температурою всередині корпусу і температурою навколишнього середовища. Єдиним способом дотримання пред’явлених вимог є додавання додаткових вентиляторів, що негативно позначається на вартості, та на рівні шуму.

Корпуси сконструйовані таким чином, щоб забезпечити температуру радіатора на рівні 38°С і нижче, прийнято називати корпусами з поліпшеними температурними характеристиками. Сучасні процесори і корпуси оснащуються системами охолодження, що дозволяють регулювати частоту обертання вентиляторів. Якщо температура залишається в певних межах, частота обертання вентиляторів зменшується, а значить, знижується і рівень шуму. Якщо температура з якоїсь причини підвищується, частота обертання збільшується. Корпуси з поліпшеними температурними характеристиками дозволяють забезпечити досить малу частоту обертання вентиляторів, а значить тиху роботу ПК.

До корпусів з поліпшеними температурними характеристиками ставиться ряд вимог:

■ можливість установки системних плат формфактора АТХ, MicroATX або FlexATX;

■ можливість установки блоків живлення стандарту АТХ, SFX і TFX з вбудованим вентилятором охолодження;

■ використання знімної бічної кришки, оснащеної повітрозабірником з можливістю зміни висоти, а також вентиляційним отвором навпроти плат розширення;

■ наявність корпусного вентилятора діаметром 92 мм і більше на задній панелі, а також місця для встановлення вентилятора діаметром 80 мм на передній панелі (без урахування вентиляторів в блоці живлення).

7. Повітрозабірник

Одним з останніх нововведень в конструкції корпсів є поява повітрозабірника, розташованого безпосередньо над процесором. З його допомогою вентилятор процесора захоплює повітря за межами корпусу, що дозволяє значно підвищити ефективність радіатора, а також дотримати вимогу підтримувати температуру радіатора на рівні не більше 38°С.

Повітрозабірник – найбільш важлива частина корпусу з поліпшеними температурними характеристиками. А його розміщення має великий вплив на швидкодію системи він розташовується строго над центром радіатора; при цьому відстань від повітрозабірника до верхньої межі радіатора має становити 12-20 мм. Це забезпечує захоплення вентилятором тільки прохолодного повітря за межами корпусу. В результаті процесор менше гріється, вентилятор обертається з меншою швидкістю, а система в цілому працює набагато тихіше.

Віддаючи перевагу корпусу з поліпшеними температурними характеристиками, ви забезпечуєте не тільки надійну роботу процесора, а й продовжуєте час роботи вентилятора, що охолоджує процесор.

Контрольні запитання

1. Що таке тепловідвід?

2. Які тепловідводи називають активними?

3. Як встановити радіатор на системну плату?

4. Які є види рідинного охолодження?

5. Які корпуси називають корпусами з поліпшеними температурними характеристиками?

6. Яку роль відіграє повітрозбірник?