procesory

Procesory• Ogólnie o procesorachOgólnie o procesorach

• Lista gniazdek procesoraLista gniazdek procesora

• Intel 80386Intel 80386




• PentiumPentium

• RISCRISC

• Pentium MMXPentium MMX

• Pentium 2Pentium 2

• CeleronCeleron



Ogólnie o procesorachOgólnie o procesorach

Procesor (ang. processor), także CPU (ang. Central Processing Unit) – urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.

Procesory (zwane mikroprocesorami) wykonywane są zwykle jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złocone wyprowadzenia (stosowane ze względu na własności przewodzące tego metalu). Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych, tworzących, w zależności od zastosowania, sieć od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów. Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź).

Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma 64 bity, mówimy, że procesor jest 64-bitowy.

Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu.

Ogólnie o procesorach

W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak:

• zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,

• jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,

• układ sterujący przebiegiem wykonywania programu,

• inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.

Procesor bywa też nazywany jednostką centralną (poprzez tłumaczenie ang. CPU, Central Processing Unit w sposób dosłowny). Część użytkowników jednostkę centralną kojarzy z handlowym terminem określającym jednostką systemową komputera złożoną z elementów takich jak procesor, płyta główna, karta rozszerzenia, pamięć operacyjna, dysk twardy zamkniętych we wspólnej obudowie, nie obejmującą takich urządzeń peryferyjnych jak monitor, klawiatura czy drukarka

Ogólnie o procesorach

Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:• kopiowanie danych • z pamięci do rejestru • z rejestru do pamięci • z pamięci do pamięci (niektóre procesory) • (podział ze względu na sposób adresowania danych)• działania arytmetyczne • dodawanie • odejmowanie • porównywanie dwóch liczb • dodawanie i odejmowanie jedności • zmiana znaku liczby• działania na bitach • iloczyn logiczny – AND • suma logiczna – OR • suma modulo 2 (różnica symetryczna) – XOR • negacja – NOT • przesunięcie bitów w lewo lub prawo• skoki • bezwarunkowe • warunkowe

Przykładowy procesor

Lista gniazdek procesora

W celu ułatwienia montażu/demontażu komputerów do ich budowy stosuje się konstrukcje modułowe. Elementy łączone są ze sobą poprzez różnego rodzaju złącza. Dotyczy to również procesorów (wczesne modele płyt PC x286, x386 często posiadały procesory wlutowywane na stałe). Począwszy od generacji x386 standardem stało się stosowanie różnego rodzaju gniazd (ang. socket) i listw połączeniowych (ang. slot). Początkowo producenci produkowali procesory pasujące do wspólnego typu gniazd, jednak szybko nastąpił podział i każdy z nich zaczął stosować własne rozwiązania.

Lista gniazdek procesoraSockety firmy AMD • Super Socket 7 – AMD K6-2, AMD K6-III,

Rise Technology, mP6 • Socket 563 – AMD Athlon, Mobile Athlon

XP, XP-M (µ-PGA Scket) • Socket 754 – Athlon 64, Sempron, Turion 64 • Socket 939 – Athlon 64, Sempron • Socket 940 – Athlon 64, Opteron • Socket A (Socket 462) – Athlon, Duron,

Sempron • Socket AM2 – (znany wcześniej jako Socket

M2) Athlon 64, Opteron 1xx; (PGA 940) • Socket AM2+ – (PGA 94) • Socket AM3 – • Socket F (Socket 1207) – nowa podstawka

AMD do procesorów Opteron • Socket S1 – Athlon 64 Mobile

Sockety firmy Intel

•Socket 1 – 486

•Socket 2 – 486

•Socket 3 – 486, AMD 5x86, Cyrix Cx 5x86, Pentium OverDrive; 63-83 MHz

•Socket 4 – Pentium P5 oraz Pentium OverDrive; 60/66 MHz

•Socket 5 – Intel Pentium 75-133 MHz; AMD K5

•Socket 6 – 486

•Socket 7 – Pentium, MMX, AMD K5, AMD K6, AMD K6-2, AMD K6-III, Cyrix Cx 6x86

•Socket 8 – Intel Pentium Pro

• LGA 771 (Socket 771) – Intel Xeon

• LGA 775 (Socket 775 lub Socket T) – Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon 3000 series, Core 2 Quad; (LGA 775).

• LGA 1366 (Socket B) – Intel Core i7 , Xeon (seria 5500)

• LGA 1156 - Core i7-8xx , Intel Core i5

• Socket H - (LGA 715)

• Socket M – Intel Core Solo, Intel Core Duo i Intel Core 2 Duo; (µPGA 478)

• Socket N – Intel Dual-Core Xeon LV

• Socket P – (uPGA 478)

•Socket 370 – Intel Pentium III, Celeron; Cyrix III; VIA C3

•Socket 423 – Intel Pentium 4, wycofany tuż po wprowadzeniu

•PAC418 – Intel Itanium

•PAC611 – Intel Itanium 2, HP PA-RISC 8800 i 8900

•Socket 463 (znany też jako Socket NexGen) – NexGen Nx586

•Socket 478 – Intel Pentium 4, Celeron, Pentium 4 Extreme Edition, Pentium M Socket N

•Socket 479 – Intel Pentium M i Celeron M

•Socket 486 – 486

•Socket 499 – DEC Alpha 21164a

•Socket 603 – Intel Xeon

•Socket 604 – Intel Xeon


Sloty i inne

•Slot 1 – Intel Celeron, Pentium II, Pentium III

•Slot 2 – Intel Pentium II Xeon, Pentium III Xeon

•Slot 3 – Itanium

•Slot A – Athlon

•Slot B – DEC DEC Alpha

•Slot M – Itanium

•PAC418 – Itanium

•PAC611 – Itanium 2

•Slotket


Intel 80386

Intel 80386Intel 80386 to 32-bitowy procesor opracowany przez firmę Intel i zaprezentowany w 1986 roku. Później, odpowiedniki tego procesora produkowały również firmy AMD oraz VIA (Cyrix).

Był to pierwszy 32-bitowy procesor z rodziny x86. Architektura tego procesora została opracowana jeszcze zanim Intel wypuścił na rynek procesory poprzedniej serii 286, jednak procesor był zbyt skomplikowany, aby go w tamtym czasie wyprodukować.

Podstawowa wersja układu 80386 (oznaczona później symbolem DX) charakteryzowała się 32-bitową magistralą adresową oraz 32-bitową magistralą danych. Procesor ten wymagał więc, aby komponenty płyty głównej również działały w architekturze 32-bitowej. Z tego powodu, a także z braku konkurencji, procesory 386 były bardzo drogie.

Procesor 80386 w stosunku do poprzednich przedstawicieli rodziny x86 posiada rozszerzone do 32-bitów rejestry ogólnego przeznaczenia (w stosunku do wersji 16-bitowych dodano do nazwy przedrostek "E": EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP), rejestr EIP (IP - ang. Instruction Pointer - wskaźnik bieżącej instrukcji) oraz rejestr flagowy EFLAGS. W procesorze dodano także rejestry kontrolne CRx.

386 otrzymał również nowe tryby adresowania i w odróżnieniu od wersji poprzednich, rejestry ogólnego przeznaczenia mogły być używane niemalże dowolnie. Pozostało jednak użycie rejestru ECX do obsługi pętli, oraz par rejestrów DS:ESI oraz ES:EDI w instrukcjach łańcuchowych.

Intel 80386

Procesor 80386 może pracować w trzech trybach: rzeczywistym, chronionym i wirtualnym. W 32-bitowym trybie chronionym, procesor 386 może adresować liniowo do 4GB pamięci. W stosunku do 80286 usprawniono przełączanie trybów. W 80286 powrót z trybu chronionego do rzeczywistego wiązał się z koniecznością resetu procesora, co trwało dosyć długo. W 80386 powrót nie wymaga resetu procesora i z tego powodu jest o wiele szybszy.

Istotną zmianą było dodanie do procesora jednostki MMU, która pozwalała na swobodne kształtowanie mapy pamięci. Przez długi czas możliwości te były wykorzystywane przez oprogramowanie jedynie minimalnie.

80386 mógł współpracować z koprocesorem 80387 (w pierwszych modelach komputerów stosowano też czasem 80287). Istniał także koprocesor 3167 opracowany przez firmę Weitek, o znacząco większej mocy obliczeniowej. Tylko wybrane programy potrafiły z niego skorzystać.

Intel 8086

8086 jest 16-bitowym mikroprocesorem wprowadzonym na rynek w 1978 roku. Mikroprocesor został zaprojektowany przez firmę Intel jako następca 8-bitowego 8080/8085. Jego zastosowanie (w szczególności jego odmiany z 8-bitowym interfejsem - 8088) w pierwszych ogólnodostępnych komputerach osobistych (IBM PC), doprowadziło do jego wielkiej popularyzacji i dalszego rozwoju (architektura x86).

Podstawowe parametry mikroprocesora 8086:• architektura CISC; • przestrzeń adresowa pamięci - 1MB w trybie rzeczywistym; • 16-bitowa magistrala danych; • 20-bitowa magistrala adresowa; • częstotliwość sygnału zegarowego do 10MHz; • 91 podstawowych typów rozkazów; • przestrzeń adresowa urządzeń wejścia/wyjścia - 64kB; • możliwość wykonywania operacji bitowych, bajtowych, o długości słowa i

łańcuchowych; • 7 trybów adresowania argumentów w pamięci; • dwa tryby pracy – minimalny i maksymalny; • 16-bitowa jednostka arytmetyczno logiczna (ALU); • 16-bitowe rejestry ogólnego przeznaczenia; • 6-bajtowa kolejka rozkazów.

Intel 80286

Intel 80286 to 16-bitowy procesor opracowany przez firmę Intel, oficjalnie pokazany po raz pierwszy 1 lutego 1982. Procesor składał się ze 134 tysięcy tranzystorów, pierwsze wersje miały częstotliwości 6 i 8 MHz, późniejsze maksymalnie 25 MHz. W procesorze 286 wprowadzono nowe instrukcje, nowy tryb adresowania pamięci (tryb chroniony) oraz przeprojektowano układ DMA.

80286 potrafił jedynie przełączyć się w tryb chroniony, powrót do trybu rzeczywistego nie był możliwy bez resetu procesora. Następca 286, procesor Intel 80386, był już pozbawiony tej wady. 286 używany był w komputerach klasy IBM PC AT w latach osiemdziesiątych, aż do początku lat dziewięćdziesiątych. Procesory 80286 ze względu na stosunkowo niską częstotliwość taktowania nie wymagały chłodzenia wentylatorem.

Intel 80486

Intel 80486 (poprawna nazwa handlowa i486, zrezygnowano z cyfr 80 na początku, w przypadku układu iDX4 zrezygnowano także z cyfr 486) – zaprezentowany na targach Comdex w kwietniu 1989 mikroprocesor CISC produkowany przez firmę Intel należący do rodziny procesorów x86, jego poprzednikiem był 80386. "486" był ostatnim procesorem Intela którego nazwa była wyłącznie numeryczna.

Z punktu widzenia oprogramowania, i486 był praktycznie identyczny do 80386, otrzymał on tylko kilka (7) dodatkowych instrukcji (późniejsze wersje więcej, w tym np. CPUID), jednak architektura wewnętrzna i486 była wyraźnym krokiem naprzód. Otrzymał zunifikowany cache na dane i instrukcje (o pojemności 8kB, lub 16kB w wykonaniu IBM i w układach AMD 486DX4, nazywanych AMD 5x86), zintegrowany koprocesor arytmetyczny x87 i poprawiony interfejs szyny danych. W procesorach Intela zastosowano pięciostopniowy potok.

Wszystkie usprawnienia spowodowały, że i486 był mniej więcej dwukrotnie szybszy od podobnie taktowanego 80386 (i486 wykonywał większość instrukcji w dokładnie 1 takcie zegara). Niemniej, najtańsze i najbardziej powolne modele i486 (16 i 20 MHz SX) były wolniejsze od najszybszych 80386 (AMD 40MHz, układy 486DLC).

Pentium

Pentium - mikroprocesor zaprojektowany i wytwarzany przez firmę Intel, ukazał się na rynku 22 marca 1993 jako następca serii 486

Główne zmiany

• Architektura superskalarna – Pentium został pierwszym procesorem CISC, w którym użyto typowego dla konkurencyjnej architektury RISC rozwiązania zwanego "potokami" (ang. "pipelines"). Jeden potok "U" potrafiący wykonać każdą instrukcję, a drugi – "V" potrafiący wykonywać jedynie najprostsze, najczęściej używane komendy, co pozwalało Pentium na wykonywanie więcej niż jednej instrukcji w czasie pojedynczego cyklu. Pierwsze połączenie architektury x86 i RISC sygnalizowało, że jest możliwe połączenie tych dwóch rozwiązań tworząc procesory "hybrydowe". De facto Pentium był logicznie dwoma i486 korzystającymi ze wspólnego zestawu rejestrów i magistrali, wykonującymi pojedynczy program. Czasy wykonania większości operacji były podobne z i486 (większość instrukcji w 1 takt), jednak procesor był w stanie wykonywać efektywnie 2 instrukcje równocześnie, o ile nie były one złożone i od siebie zależne. W praktyce działo się tak przez 20-30% czasu przy niezoptymalizowanym kodzie.

Pentium

• 64-bitowa szyna danych. Wszystkie główne rejestry pozostały 32-bitowe, ale podwojono ilość informacji pobieranej z RAM-u.

• Zestaw instrukcji MMX (dodane w późniejszych modelach) – prosty zestaw instrukcji SIMD pomocny w obróbce aplikacji multimedialnych.

• Rozdzielenie cache na cache instrukcji i danych i podwojenie jego wielkości (2x 8kB i 2x 16kB w wersji MMX).

• Bufory zapisu zwiększające prędkość współpracy z cache i magistralą (dodatkowo podwojone w wersji MMX).

• Dodatkowe 4 linie adresowe (praktycznie nieużywane); dopiero w Pentium Pro pojawiły się skuteczne mechanizmy adresowania z ich użyciem.

• Jednostka branch prediction do przewidywania skoków (80% skuteczność, z powodu błędu; w Pentium MMX zmieniona na jednostkę z Pentium Pro z 90% skutecznością).

• Wyższa częstotliwość taktowania szyny (początkowo 60 i 66MHz).

• Przeprojektowany koprocesor (5-6x wydajniejszy niż w i486).

• Przy włączonym stronicowaniu dostępne były, obok 4kB, także strony o rozmiarze 4MB.

• Wsparcie dla maszyn wieloprocesorowych:

• umożliwienie tworzenie maszyn dwuprocesorowych,

• APIC dla maszyn z większą liczbą procesorów.

Pentium

Nowa architektura Pentium oferowała mniej więcej dwukrotnie większą moc obliczeniową w porównaniu z intelowskimi 486. Najszybsze modele 486 produkowane później miały prawie taką samą wydajność jak Pentium pierwszej generacji, a niektóre zaawansowane klony 486 produkowane przez AMD równały się wydajnością z Pentium 75

RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computers) - nazwa architektury mikroprocesorów która została przedstawiona pod koniec lat 70. w teoretycznych pracach na uniwersytecie Berkeley oraz w wynikach badań Johna Cocke z Thomas J. Watson Research Center.

Ówczesne procesory (budowane w architekturze CISC) charakteryzowały się bardzo rozbudowaną listą rozkazów, ale jak wykazały badania, statystycznie tylko nieliczna ich część była wykorzystywana w programie. Okazało się np. że ponad 50% rozkazów w kodzie to zwykłe przypisania, tj. zapis zawartości rejestru do pamięci i odwrotnie.

Ponadto badania wykazały, że podczas działania programu ok. 26-45% wykonywanych instrukcji to instrukcje wywołania podprogramów lub instrukcje obsługujące pętle, ok. 13-15% to wspomniane przypisania, 7-21% to instrukcje warunkowe (jeśli warunek to …), natomiast reszta to tylko 1-3% [1].

RISC

W związku z powyższym zaprezentowano architekturę mikroprocesorów, w której uwzględniono wyniki badań. Jej podstawowe cechy to:

• Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosi kilkadziesiąt, podczas gdy w procesorach CISC sięga setek. Upraszcza to znacznie dekoder rozkazów.

• Redukcja trybów adresowania, dzięki czemu kody rozkazów są prostsze, bardziej zunifikowane, co dodatkowo upraszcza wspomniany wcześniej dekoder rozkazów. Ponadto wprowadzono tryb adresowania, który ogranicza ilość przesłań

• Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem. Przede wszystkim do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służą dedykowane instrukcje, które zwykle nazywają się load (załaduj z pamięci), oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje mogą operować wyłącznie na rejestrach. Schemat działania na liczbach znajdujących się w pamięci jest następujący: załaduj daną z pamięci do rejestru, na zawartości rejestru wykonaj działanie, przepisz wynik z rejestru do pamięci.

• Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, podczas gdy np. w architekturze x86 jest zaledwie 8 rejestrów), co również ma wpływ na zmniejszenie liczby odwołań do pamięci.

• Pierwszym procesorem zaprojektowanym w oparciu o architekturę RISC był RCA1802 wyprodukowany przez firmę RCA.

• Obecnie popularne procesory Intela z punktu widzenia programisty są widziane jako CISC, ale ich rdzeń jest RISC-owy. Rozkazy CISC są rozbijane na mikrorozkazy (ang. microops), które są następnie wykonywane przez RISC-owy blok wykonawczy. W praktyce okazuje się że rozwiązanie takie (pomimo wielu znaczących wad) jest podejściem znacznie bardziej wydajnym (szczególnie że RISC-owy blok wykonawczy jest znacznie bardziej nowoczesny od architektury CISC widocznej dla programisty.

Pentium MMX

Pentium MMX - pierwszy procesor firmy Intel posiadający zestaw instrukcji MMX. Pentium MMX był nieco tylko zmodyfikowanym procesorem Pentium:

• zwiększono rozmiar pamięć cache do 16 kB (z 8 kB), dodatkowo usprawniono dostęp do pamięci podręcznej,

• dodano jednostkę BPU (ang. Branch Predicition Unit), zapożyczoną z Pentium Pro,

• zwiększono bufor zapisu z 2 do 4 bajtów,

• dłuższy potok przetwarzania instrukcji,

• dodano stos powrotu, dzięki czemu powrót z podprogramów (procedur) był krótszy; zysk szybkości nawet 20% w stosunku do zwykłego Pentium.

• Procesor posiada dwie jednostki wykonawcze dla rozkazów MMX, możliwe więc jest - w pewnych warunkach - równoległe wykonywanie dwóch rozkazów MMX.

• Procesor jest zbudowany z 4,5 miliona tranzystorów.

• Maksymalna częstotliwość zegara to 233 MHz.

Pentium 2

Pentium 2- mikroprocesor bazujący na architekturze serii x86, zaprojektowany i wytwarzany przez firmę Intel, oficjalnie zaprezentowany 7 maja 1997. Bazuje na rdzeniu P6, który po raz pierwszy został użyty w Pentium Pro, ma dodatkowe instrukcje MMX i poprawioną obsługę programów 16-bitowych.

Pierwsze wersje Pentium 2"Klamath" taktowane zegarem 233 i 266 MHz były produkowane w technologii 0.35 µm i były bardzo gorące (w porównaniu z innymi procesorami z tamtego okresu). Używały magistrali FSB taktowanej 66 MHz, co było niewystarczające do uzyskania pełnego potencjału tych procesorów. Nieco później pojawiła się odmiana z zegarem 300 MHz.

Celeron

Celeron – rodzina procesorów firmy Intel przeznaczona na rynek niskobudżetowy. Nazwa pochodzi z łac. celer, czyli szybki. Cechą charakterystyczną tych procesorów (w porównaniu do procesorów Pentium) jest mniejsza ilość pamięci podręcznej. Przekłada się to na znaczne zmniejszenie ceny takich układów, ponieważ produkcja pamięci SRAM (stanowiącej pamięć podręczną) jest stosunkowo droga

Pentium 3

Pentium 3 - procesor w 32-bitowej architekturze Intela (IA-32).

Projekt rozwijał się pod kryptonimem Katmai, zanim został oficjalnie przemianowany przez firmę Intel na procesor Pentium III. Zestaw nowych instrukcji określany w fazie wstępnej mianem KNI (Katmai New Instructions) lub MMX-2 przemianowany został w ślad za tym na SSE (Streaming SIMD Extensions), przy czym element SIMD (Single Instruction Multiple Data) określa znane już z techniki MMX jednoczesne przetwarzanie grupy danych przy pomocy jednego rozkazu. Główna różnica pomiędzy SIMD w wersji MMX i SIMD w wersji SSE polega na tym, iż o ile MMX operuje na danych w formacie całkowitym, SSE stosuje tę samą technikę również w odniesieniu do liczb zmiennoprzecinkowych.

Pentium 3 jest pod wieloma względami bardzo podobny do swego poprzednika czyli modelu Pentium II. Podwyższenie częstotliwość taktowania stanowi naturalny krok na drodze ewolucji w tej dziedzinie.

Pentium 4

Pentium 4 – siódma generacja procesorów firmy Intel, posiadająca architekturę x86 (wersje 6xx oraz niektóre 5xx obsługują architekturę EM64T). Produkowany w kilku kolejnych wersjach: Willamette, Northwood, Prescott, Gallatin, Cedar Mill, Smithfield, Presler, pracujących z częstotliwościami FSB 400, 533, 800 i 1066 MHz. Początkowo osadzony był w gnieździe Socket 423, następnie Socket 478, a obecnie LGA 775. Wyższą częstotliwość zegara zawdzięcza architekturze NetBurst. Wykorzystuje technologie, takie jak instrukcje SSE2, w nowszych wersjach jądra – SSE3. Niektóre wersje posiadają też wbudowaną wielowątkowość (HyperThreading) – dotyczy to m.in. procesorów z rodzin Northwood i Prescott. Obecnie częstotliwość taktowania zegara procesorów Pentium 4 z serii Extreme Edition dochodzi do 3733 MHz, najwyżej taktowanym Pentium 4 jest Prescott 3,8 GHz na FSB 800 MHz (mnożnik 19).

procesory

Documents