4. Процессоры

"Сердцем" системной платы является процессор, который выполняет практически всю обработку данных и управляет системой.

Каждый процессор имеет маркировку, по которой можно установить изготовителя, тип процессора и тактовуючастоту. Первым стоит сокращение, обозначающее изготовителя процессора: буква i - обозначает фирму Intel, Am - фирму AMD, Cx - Cyrix. Затем стоит число 80xxx, в котором три цифры xxx обозначают тип процессора: 286, 386, 486, 586 и т.д. Последнее число обозначает тактовую частоту процессора. Например, маркировка "i80386-33" означает процессор типа 80386 с тактовой частотой 33 МГц, изготовленный фирмой Intel.

Основными параметрами процессоров являются:

• Степень интеграции
• Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных
• Внутренняя и внешняя тактовая частота
• Максимальный объем адресуемой памяти
• Режимы работы: реальный, виртуальный и защищенный.
• Объем внутренней кэш-памяти
• Напряжение питания
• Форм-фактор

Рассмотрим более подробно данные характеристики.

4.1. Степень интеграции

Данная характеристика показывает сколько транзисторов может уместиться на микросхеме процессора. Например, для процессора Pentium-75 фирмы Intel на прощади 3,5 см² располагается приблизительно 3 млн. транзисторов.

4.2. Внутренняя разрядность данных

Это количество бит информации, которое процессор может обрабатывать одновременно. Данная характеристика важна при выполнении простейших арифметических и логических операций. В зависимости от типа процессора внутренняя разрядность данных может составлять 16, 32 или 64 бита.

4.3. Внешняя разрядность данных

Это количество бит информации, рассматриваемой как единое целое, которым процессор может обмениваться с другими устройствами (кэш-памятью, оперативной памятью и т.д.) посредством системной шины. Данная величина может составлять 8, 16, 32, 64 бита.

4.4. Внутренняя и внешняя тактовая частота

Все процессоры являются синхронными устройствами. Это значит, что любые операции, выполняемые ими синхронизируются по времени тактовым сигналам. В зависимости от сложности операции, выполняемой процессором, она может длиться несколько тактов.

Из-за того, что быстродействие процессора может существенно превышать быстродействие всех остальных компонентов компьютера (памяти, внешних устройств и т.д.), используются разные тактовые частоты:

• Внешняя тактовая частота процессора, равная частоте системной шины, синхронизирующая операции обмена данными по системной шине между процессором и другими устройствами.
• Внутренняя тактовая частота процессора, используемая для синхронизациии работы самого процессора. Эта частота образуется внутри процессора путем умножения внешней тактовой частоты на заданный коэффициент (например, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 и т.д.).

Для процессоров 8086, 80286, 80386 и ранних моделей процессоров 80486 (например, 486DX/SX-25, 33, 40, 50) внешняя и внутренние тактовые частоты совпадали. Во всех современных процессорах широко применяется умножение внешней тактовой частоты для получения большей внутренней тактовой частоты процессора.

Имеется два способа увеличения производительности компьютера:

Повышение внутренней тактовой частоты процессора, выполняемое путем замены процессора с одной внутренней частотой на другой процессор с более высокой частотой. Это увеличивает производительность самого процессора. Данный способ имеет ограниченное применение, т.к. процессор вынужден простаивать при выполнении операций обмена данными с другими устройствами по системной шине, которая имеет тактовую частоту гораздо меньшую, чем внутренняя частота процессора.

Повышение частоты системной шины, увеличивающее производительность самой шины и заодно процессора, т.к. при заданном коэффициенте умножения частоты процессора его внутренняя частота тоже увеличивается. Этот способ дает больший эффект для повышения быстродействия системы в целом. Однако, не все устройства компьютера устойчиво работают на повышенных частотах системной шины.

4.5. Максимальный объем адресуемой памяти

Этот показатель напрямую зависит от количества разрядов n шины адреса и рассчитывается по формуле 2ⁿ. Как правило, процессор теоретически может адресовать гораздо больший объем оперативной памяти, чем тот, который фактически можно установить на конкретной системной плате. Например, системная плата на чипсете Intel 80440BX может работать не более чем с 512 Мбайт оперативной памяти, хотя процессор Pentium-II может адресовать теоретически 4 Гбайта памяти.

4.6. Режимы работы процессора

Для всех процессоров, которые применяются в IBM-совместимых компьютерах, характерно три режима работы - реальный, защищенный и режим эмуляции процессора 8086. Более подробно эти режимы будут рассмотрены далее.

4.7. Внутренняя кэш-память

Представляет собой сверхбыстродействующее ОЗУ небольшой емкости, входящее в состав процессора. Внутренняя кэш-память постоянно обновляется и хранит данные из оперативной памяти компьютера, к которым процессор обращался сравнительно недавно. При повторных запросах процессора на чтение, он получает данные не из относительно медленной оперативной памяти, а из более быстрой внутренней кэш-памяти.

Впервые внутренняя кэш-память емкостью 8 Кбайт была использована в процессоре 80486. Малая емкость внутренней кэш-памяти обусловлена ее высокой стоимостью (плата за высокое быстродействие) и необходимостью размещения ее на одном кристалле с процессором.

Напряжение питания

Проблема - отвод тепла (зависит от внутренней тактовой частоты процессора, степени интеграции и напряжения его питания)

Первые процессоры (8086-80486DX2-66)- U=5B

Последующие CPU (486DX2-66) -3B

Блок питания подает на процессор стандартное напряжение (+5 В), которое может быть преобразовано с помощью микросхем-преобразователей напряжения в набор напряжений (3.5 В, 2.8 В, 2.5 В, 2.2 В, 2.0 В и др.), необходимых для питания процессоров различных типов.

Форм-фактор

Под форм-фактором процессора понимаются не только его геометрические размеры, но и количество и расположение контактов, с помощью которых процессор соединяется с системной платой. В зависимости от форм-фактора меняются и способы крепления процессора на плате. Применялись следующие основные способы крепления: пайка, установка в "кроватку" (PGA-разъем), установка в ZIF-разъемы, установка в картридж (Slot1).

Способы крепления процессора на системной плате

Крепление процессора с помощью пайки

Первые микропроцессоры впаивались непосредственно на системную плату (рис.20). Такой способ крепления широко использовался начиная процессоров с 8086 до 80386 включительно. Такой подход существенно ограничивал возможности дальнейшей модернизации компьютера путем замены процессора.

Рис.20. Внешний вид процессора 80386, впаянного на системную плату

Установка в "кроватку" (PGA-разъем)

Данный вид крепления имеет преимущество по сравнении с пайкой процессора, т.к. позволяет относительно легко осуществить замену процессора., т.е. в данном случае жесткого соединения процессора с системной платой не происходит. Для установки процессора достаточно просто вставить его в соответствующий разъем ("кроватку"). Такая установка использовалась для крепления процессоров 80286 и 80386

Установка в ZIF-разъемы

На смену ранее описанным методам крепления пришел метод установки процессора в ZIF-разъемы (рис.21) с "нулевым" усилием вставки, который получил широкое распространение (80486, Pentium, Pentium-MMX). В отличие от установки в "кроватку" разъемы такого типа (Socket 3 -Socket 7) позволяют более надежное крепление процессора путем использования специального зажима. На самом процессоре (рис.22) и на разъеме один из углов срезан, что позволяет однозначно ориентировать процессор при вставке.

Рис.21. Внешний вид разъема Socket 7

Рис.22. Внешний вид разъема процессора AMD К-5, устанавливаемого в Socket 7

Установка в картридж

Для высокопроизводительных процессоров типа Pentium II, Celeron, Xeon был разработан новый способ установки, когда процессор устанавливается в специальный SEC-картридж (Single Edge Contact), и уже этот картридж устанавливает перпендикулярно в специальный разъем на системной плате, подобный слотам для установки модулей оперативной памяти. Такой разъем называется Слот 1. Для охлаждения процессора в картридж встроена теплоотводная пластина, к которой присоединен радиатор.

Специально для многопроцессорных систем разработан новый Слот 2, картридж которого значительно больше по размерам.

Использование картриджей экономит место на системной плате, используемое ранее под размещение разъема для установки процессора.

Состав и история развития семейства процессоров Intel