Процессоры Pentium
Кому-то кажется, что процессоры
Pentium появились совсем недавно. Кто-то считает, что до Pentium вообще не было
компьютеров, заслуживающих внимания. Иногда при разговоре о процессорах 386
("тройках" в просторечии) собеседник никак не может сообразить, что
речь идет не о Pentium III. Если же вспомнить историю, то о первом процессоре
Pentium было объявлено в далеком марте 1993 г., т. е. тогда, когда семейство
процессоров 486 было в зените славы, a Intel DX4 еще только проектировался.
Первые процессоры Pentium
имели тактовые частоты 60 МГц (100 млн. операций в секунду, 70,4 SPECint92,
55,1 SPECfp92) и 66 МГц (112 млн. операций в секунду, 77,9 SPECint92, 63,6 SPECfp92).
Умножение частоты для ядра не использовалось. В то время такие частотные характеристики
не особо поражали воображение, да и работа программ, которые, в основном, разрабатывались
как 16-разрядные приложения, не вызывала особого восторга. К тому же, в первых
партиях процессоров Pentium через некоторое время была обнаружена ошибка при
делении чисел, которая проявлялась только при определенных соотношениях операндов.
Количество транзисторов
на кристалле нового процессора в очередной раз достигло рекордной отметки в
3,1 млн. (технология "0,8 мкм). На рис. показан внешний вид процессора
Pentium. Число контактов у корпуса процессора со штырьковыми выводами стало
равным 273. Возможности работы с памятью были аналогичны предшествующему поколению
— адресуемая память равна 4 Гбайт, виртуальная память до 64 Тбайт. Но зато можно
было использовать при страничной адресации до 4 Мбайт, вместо 4 Кбайт, как в
486 процессорах.
Чтобы понять, почему еще
несколько лет параллельно развивались два поколения процессоров, надо вспомнить,
что наиболее популярная операционная система Windows 3.1 была лишь надстройкой
— оболочкой над MS-DOS. А эта операционная система, к сожалению, не использовала
32-разрядные возможности процессоров, поэтому программисты разрабатывали почти
все программы как 16-разрядные. 32-разрядная операционная система Windows 95,
если вспомнить, появилась только через два года.
Но все же реализованные
именно в процессорах Pentium принципы обработки информации позволили к настоящему
времени превратить обычный персональный компьютер в нечто большее, чем в простую
машину для обработки цифр и текстов.
Наиболее интересное новшество,
примененное в процессорах,— это использование механизма предсказаний (правда,
не так, как это делают гадалки). Как должны выполняться компьютерные программы
— шаг за шагом, инструкция за инструкцией. Точно так, как считают в первом классе
два плюс два — к результату прибавим еще одно число.
Но ряд команд получают
данные от внешней памяти и разнообразных внешних устройств, которые не отличаются
быстродействием, а некоторые команды требуют больше циклов для своего выполнения.
Процессор
Pentium, в тех случаях,
когда данные для выполнения текущей операции еще не готовы, продолжает вычисления,
обрабатывая дальнейшие инструкции. К тому времени, когда будет выполнена инструкция,
данные для которой поступили с опозданием, процессор уже обсчитает множество
последующих команд.
Обычно, по результатам
выполнения таких "медленных" инструкций в программе делается выбор
между несколькими возможностями: как бы решить -идти налево или направо. Вот
тут и полезен механизм предсказания. Блок предсказаний предугадывает наиболее
вероятное направление дальнейших вычислений. В том случае, если выбор был правильным,
все выполненные к этому моменту команды будут считаться "правильными",
и процессор продолжит дальнейшие вычисления. Если же предсказание было неверным
— а это бывает примерно в 20% случаев, — то процессору ничего не. остается делать,
как заново начать обрабатывать инструкции, идущие за такой командой.
В дальнейшем механизм предсказаний
был дополнен возможностью выполнения команд не в том порядке, как они следуют
в программе.
Такие особенности архитектуры
процессоров Pentium (а также самых последних моделей 486) эффективно повышают
производительность процессора, не требуя повышения тактовой частоты, т. е. рассматриваемый
нами процессор с тактовой частотой 100 МГц будет работать так, как обычный процессор,
работающий на частоте 130 или 170 МГц. (Обратите внимание, что механизм предсказаний
в каждой последующей модели процессора Pentium совершенствуется, но тонкости
технологий интересны, в основном, системным программистам).
Начиная с 8086, процессор загружал "за раз" не одну инструкцию для выполнения, а несколько, помещая их в очередь — конвейер. Теперь один конвейер — "основной", или U-конвейер — остался аналогичен такому же, как у 486 процессора, а второй, V-конвейер — работает с сокращенным числом команд. То есть процессор Pentium может выполнять в один и тот же момент сразу две разные инструкции.
Следующая, наиболее отличительная особенность процессоров Pentium состоит в том, что шина данных у них 64-разрядная, хотя работают они с 32-разрядной арифметикой. Часто из-за этого их ошибочно относят к 64-разрядным процессорам, но на самом деле они принадлежат к семейству 32-разрядных процессоров. Только в процессоре Itanium разработчики корпорации Intel действительно полностью реализовали 64-разрядную архитектуру.
Удвоение разрядности шины данных позволяет ускорить работу с внешней оперативной памятью. Используя возможности 64-разрядной шины, можно за один такт считать или записать в память сразу несколько инструкций или 8-байтных данных. Правда, не всегда производительность компьютера возрастает в два раза, т. к. частенько важен лишь один байт данных или одна 16-разрядная инструкция. В этих случаях "лишние" данные отбрасываются.
