Procesoru veidi
Takts frekvence
Aprēķinu ātrums
16 un 32 bitu kodi
Kešatmiņas lielums
Arhitektūra
Elementu blīvums
Konstruktīvais izpildījums
Barošanas spriegums
Cena
|
|
Pirmā Intel mikroprocesora radīšanu netieši ierosināja kāda japāņu firma, kas savam jaunajam kalkulatoram pasūtīja izstrādāt komplektu no 12 integrālajām shēmām. Intel inženieris Hoffs nosprieda, ka pasūtījums ir pārāk šauri specializēts un tāpēc ekonomiski neizdevīgs. Viņš piedāvāja vispārīgu risinājumu - realizēt shēmu darbu ar 4, iekļaujot centrālo procesoru, kas veic aritmētiskās un loģiskās darbības. 1971. gadā izlaistais mikroprocesors 4004 kopā ar vēl 4 mikroshēmām veidoja datoru. 70. gadu nogalē firma IBM izvēlējās mikroprocesoru Intel 8088 par pamatu saviem personālajiem datoriem. IBM PC kļuva par līderi personālo datoru ražošanā, un līdz ar to arī Intel arhitektūra noteica dominējošo standartu pašā masveidīgākajā datoru tirgū.
Procesors ir uz silīcija kristāla pamatnes veidota mikroshēma, kas satur miljonus tranzistoru jeb loģisko elementu, kurus var ieslēgt un izslēgt. Šie elementi ir noteiktā veidā savienoti, lai ar 1 un 0 dažādām kombinācijām (komandām) varētu veikt konkrētas manipulācijas ar datiem. Dati un komandas tiek glabāti atmiņā. Tipiskas darbības ir divu skaitļu saskaitīšana, salīdzināšana vai kopēšana no vienas atmiņas šūnas otrā. Ja procesoram iedod komandu virkni, ko sauc par programmu, un datus, procesors tās izpilda.
Procesori, jeb CPU (central processing unit), tāpat kā citas elektroniskās shēmas, ir ieguvušus tipa apzīmējumus. Datora procesoru nosaukumi sākas ar 80, kam seko 3 cipari, kuri vajadzības gadījumā var tikt papildināti ar burtiem vai cipariem (takts frekvence). Pirms procesora tipa apzīmējuma parasti ir izgatavotājfirmas nosaukuma saīsinājums. Apzīmējums i80486DX-50, piemēram, nozīmē firmas Intel 80486 procesoru ar takts frekvenci 50 MHz. Firmas Advanced Micro Devices procesoru nosaukumi sākas ar AMD, bet firmas Cyrix - ar CX. Procesora nosaukuma daļu "80" parasti nenorāda. Bez tam, piemēram, ar 386 apzīmē ne tikai 80386 procesoru, bet arī citas pamatplates perifērijas mikroshēmas.
Procesorus iedala paaudzēs, kuru procesori atšķiras pēc savas ātruma un iespējām. Pašlaik ir parādījušies 7 paaudzes procesori.
Procesoru parasti raksturo ar megaherciem (MHz). Tas ir lielums, kas norāda tā takts frekvenci - ātrumu, ar kādu procesors apstrādā datus un izpilda komandas. Tā tas ir viena tipa procesoriem, taču, ja modeļi ir dažādi, tad ātrāks būs tas, kuram ir jaunāks modelis. Jaunāka modeļa procesors to pašu operāciju veiks izmantojot mazāk procesora taktis. Ir konstatēts, ka procesoru jauda 18 mēnešos dubultojas.
Būtiski ir tas, ka paša procesora ātrums (iekšējais) eksistē tikai procesora iekšienē. Visa datu apmaiņa ar pamatplati notiek ar citu takts frekvenci (ārējo): 60, 66, 75, 83, 95, 100, 133 un 200 MHz(AMD K7). Iekšējā procesora takts frekvence veidojas šīs frekvences reizinājuma rezultātā ar 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5. Ārējo un iekšējo takts frekvenci uzstāda pamatplatē.
Katrs procesors ir aprēķināts darbam ar noteiktu takts frekvenci un to nevajadzētu darbināt ar lielāku frekvenci. Tas var novest pie kļūdām darbā un krietni samazināt procesora mūžu.
Līdz pat 486 procesoram uz pamatplates bija vieta arī matemātiskajam procesoram (FPU) - iekārtai, kura apstrādā skaitļus ar peldošo punktu. Pats procesors veica aprēķinus tikai ar veseliem skaitļiem un darbs ar daļskaitļiem (piemēram, elektroniskajās tabulās) bija ļoti lēns.
Sākot ar 486 (izņemot 486SX) modulis darbībām ar peldošā punkta skaitļiem tika iekļauts pašā procesorā. Šī moduļa ātrdarbība nav vienāda dažāda tipa procesoriem un tai arī nav nekāda sakara ar veselo skaitļu apstrādes ātrumu. Ja veselo skaitļu aprēķini ir ātrākui AMD procesoros, tad skaitļus ar peldošo punktu apstrādā firmas Intel modeļi. Firmas Cyrix procesoriem abi rādītāji ir mazāki kā Intel modeļiem. IDT modeļiem veselo skaitļu apstrāde ir nedaudz, bet ar peldošo punktu daudz lēnāka.
Pirmie procesori bija 16 bitu. Sākot ar 80386 tiem ir 32 biti. Firma Intel plāno 2000. gadā sākt ražot 64 bitu procesorus. Taču izpildāmās programmas var būt gan 32 gan 16 bitu. Pārsvarā visas 32 bitu programmas strādā ātrāk un drošāk. Visas MS-DOS un Windows 3.x programmas ir 16 bitu. Windows NT, OS/2 un Unix kā arī lielākā daļa to lietojumprogrammu ir 32 bitu. Windows 9x ir ieņem starpstāvokli - tajās ir kā 32, tā arī 16 bitu sastāvdaļas.
Sestās paaudzes procesori Intel Pentium Pro, Pentium II un Pentium III ir orientēti tieši uz 32 bitu programmām, tādēļ 16 bitu programmas tajās izpildās lēnāk. Turpretī Cyrix procesori ātrāk izpilda 16 bitu programmas, tāpēc Windows 9x (tajos liela daļa vēl ir 16 bitu moduļu) ir izdevīgāk darbināt šo procesoru sistēmās.
Operatīvā atmiņa ne vienmēr spēj pietiekami ātri nodrošināt procesoram nepieciešamos datus un instrukcijas. Ātrākā SRAM kešatmiņa, kas kalpo kā buferis starp procesoru un operatīvo atmiņu, būtiski uzlabo šo situāciju.
Pirmā līmeņa (level 1) L1 kešatmiņa uzstādīta pašā procesorā un darbojas ar tā takts frekvenci, kas to padara ļoti ātru. Intel un AMD to sadalījušas divās daļās - datiem un instrukcijām, tādējādi atvieglojot to atrašanu. Jo lielāka ir kešatmiņa, jo ātrāks ir procesors.
Parasti uz pamatplates atrodas kešatmiņa, kas darbojas ar pamatplates darba frekvenci. Šo kešatmiņu sauc par sekundāro L2 (level 2). Lai vēl palielinātu procesora ātrdarbību. Pentium Pro sekundārā kešatmiņa atrodas procesora korpusā, bet Pentium II un nākamajos - uz iespiestās plates, ko iesprauž pamatplatē kopā ar procesoru.
Procesora arhitektūra nosaka to, kādā veidā tas apstrādā instrukcijas un datus. Modernos procesoros ir vairāki instrukciju apstrādes konveijeri, kas ļauj vienlaicīgi izpildīt vairāk nekā vienu instrukciju. Lai panāktu to, ka visi konveijeri visu laiku ir noslogoti, procesors "paredz", kuras instrukcijas tiks pildītas nākamās. Ja šis "paredzējums" ir nepareizs, nākas atgriezties un izpildīt pareizās instrukcijas. Jo labāk izstrādāts procesors, jo retāk gadās šādas kļūmes, jo ātrāk tas darbojas.
Jo ciešāk procesora kristālā savietoti tranzistori, jo ātrāks ir procesors. Ir nepieciešams sinhronizēt signālus, kas iet caur miljoniem tranzistoru. Ja samazina attālumu starp tranzistoriem, procesors var darboties ar lielāku takts frekvenci.
Konstruktīvais izpildījums nosaka to, kā ir veidots procesora korpuss un kā tas tiek ievietots pamatplatē. Tāpēc dažādiem procesoriem ir vajadzīgas dažādas pamatplates, kuras atšķiras arī pēc to cenas.
Visu P5 procesoru konstrukcija ir vienāda un tās nosaukums ir Socket 7. To izstrādāja firma Intel saviem Pentium procesoriem. Tam ir taisnstūrveida forma ar lielu skaitu kājiņu apakšā. Visi sestās paaudzes procesori, izņemot firmas Intel, ir tādas pašas konstrukcijas Socket 7. Pentium Pro konstrukcijas nosaukums ir Socket 8. Šī procesora taisnstūrveida forma ir divreiz garāka.
Pentium II un Pentium III ir konstrukcija Slot 1. Arī tam ir tainstūrveida formas plate vai kasete, taču tas pamatplatē tiek ievietots ar vienu malu. Lai citas firmas šo konstrukciju nevarētu izmantot, firma Intel uz to izņēma patentu. Taču tā izdeva licenci firmai Cyrix, kura tādas konstrukcijas procesorus vēl neražoja. Pamatplates ar Slot 1 ir pašas dārgākās, taču tajās var ievietot kā Pentium II un Pentium III, tā arī atsevišķus Celeron procesoru modeļus. Xeon procesoru konstrukcija Slot 2 ir atšķirīga. Tos var ievietot tikai tiem paredzētās pamatplatēs. Bez tam firma Intel izveidoja vēl vienu starpvariantu - Socket 370 Celeron procesoriem. Kā pats procesors, tā arī pamatplate ir lētāki.
Procesoru AMD K7 (Athlon) ražo firmas AMD patentētā konstrukcijā Slot A (Slot Alpha EV6) un to var uzstādīt tikai tam paredzētajās pamatplatēs.
Dažādu tipu procesoriem nepieciešamais barošanas spriegums ir dažāds pat vienas firmas viena tipa procesoriem ar dažādu takts frekvenci. Pentium Pro, Pentium II, Pentium II, Celeron un Xeon tas ir vienāds un Slot 1 un Slot 2 ir paredzēta tā automātiska uzstādīšana. Socket 7 procesoriem šis spriegums pamatplatēs ir jāuzstāda bez tam ne katrā pamatplatē ir visi nepieciešamie. Pamatplates procesora barošanas spriegumu ir svarīgi zināt, ja ir vajadzība veikt procesora nomaiņu (upgrade).
Intel Pentium, AMD K5 un Cyrix 6x86 un vienai no IDT WinChip versijām barošanas spriegums ir 3,52 V (3,4 - 3,6), tāpēc liela daļa pamatplašu nodrošina tieši šādu spriegumu. Intel Pentium MMX, AMD K6-2, Cyrix 6x86 MMX, Cyrix MII izmanto divus barošanas spriegumus(Dual Plane Power). Viens no tiem ir fiksēts 3,3 V, bet otrs regulējas pamatplatē, jo tas dažādiem modeļiem ir atšķirīgs. Otrs IDT WinChip izmanto tikai fiksēto 3,3 V spriegumu un tāpēc to var ievietot jebkurā pamatplatē ar Dual Plane Power.
Cena dažkārt ir noteicošais procesora izvēles faktors. Jo labāks procesors, jo tas, protams, maksā vairāk. Tā kā procesora modelis nosaka arī izmantojamo pamatplašu diapazonu, arī to cenai ir būtiska nozīme.
P5 lētākie ir firmu IDT un AMD procesori, tad Cyrix un paši dārgākie - Intel.
P6 modeļi (ņemot verā arī pamatplates cenu) pēc cenas ir sarindojami šādi: AMD K6, IDT WinChip 2 un Cyrix 8c86MX. Nedaudz dārgāki ir Intel Celeron Socket 370, AMD K6-2, Cyrix M-II. Tālāk seko Celeron Slot 1, Pentium II un Pentium III.
Procesora izvēli nosaka gan tā tehniskie parametri, gan cena. Sava nozīme ir arī pamatplates elementiem un parametriem. Svarīgi ir tas, kāda datorā ir izmantota operacionāla sistēma, lietojumprogrammas un apstrādājamās informācijas veidi. Procesora (datora) "labuma" noteikšanai ir izveidoti speciāli testi.
Instrukcijas un dati - programmas sastāv no datiem un instrukcijām. Instrukcijas nosaka to, kas tiks darīts ar datiem. Piemēram, operācija "parādīt attēlu". Šeit "parādīt" ir instrukcija., bet "attēls" - dati. Dati un instrukcijas tiek glabātas cietajā diskā, līdz brīdim, kamēr tās ielasa operatīvajā atmiņā.
Operatīvā atmiņa - šeit glabājas visi dati un instrukcijas, kas var būt nepieciešami datora darbībai. Parasti operatīvā atmiņa nespēj procesoru pietiekami ātri apgādāt ar nepieciešamajiem datiem un instrukcijām.
Sekundārā kešatmiņa - šeit glabājas instrukcijas un dati, kas drīzumā var būt nepieciešami apstrādei. Šī atmiņa ir līdzīga operatīvajai, tikai ir ātrāka un spēj labāk apgādāt procesoru ar instrukcijām un datiem.
Primārā kešatmiņa - instrukcijas un dati šeit tiek ierakstīti tikai neilgi, pirms tie kļūst nepieciešami, tādējādi nodrošinot efektīvākuprocesora darbību.
Izpildes modulis - katrs modulis izpilda instrukciju un rezultātu ieraksta atmiņā.
Cauruļvads - izpildes modulis instrukcijas izpilda pakāpeniski, daudzpakāpju cauruļvadā. Tā rezultātā nav jāgaida kamēr tiks pabeigta vienas instrukcijas izpilde, lai sāktu izpildīt nākamo.
Superskalārā arhitektūra - ir vairāki izpildes moduļi, vienlaicīgi tiek izpildīta vairāk kā viena instrukcija.
Iepakojums - keramisks vai plastisks iepakojums pasargā silīcija kristālu no mehāniskiem bojājumiem.
CPU uzdevumos ietilpst informācijas apmaiņa ar citām iekārtām un skaitļošana. Ja saskaitīšana un atņemšana ir samērā vienkāršas operācijas, tad daudz sarežģītākas jau ir kāpināšana, tangensu aprēķināšana un peldošā punkta skaitļu apstrāde. Darbību izpildīšanai ar peldošā punkta skaitļiem ir izveidots speciāls matemātiskais procesors Numeric Processing Unit (NPU) vai Floating Point Unit (FPU). Atšķirībā no CPU tas nevada sistēmas darbu, bet gaida CPU dotās komandas, lai veiktu aritmētiskos aprēķinu izpildi un rezultātu formēšanu. Kā apgalvo firma Intel, šāds procesors reizināšanas un kāpināšanas procedūras izpilda par 80% ātrā kā CPU, bet saskaitīšanas un atņemšanas ātrums nemainās.
Matemātiskā procesora atrašanās uz pamatplates nav obligāta. Sākot ar 486DX un tālākajiem procesoriem, matemātiskais procesors tika integrēts pašā CPU. Jāņem vērā, ka NPU un CPU ir jābūt savstarpēji pilnīgi saskaņotiem. Arī to taksts frekvencei ir jābūt vienādai.
Matemātiskos procesorus izmanto zinātniski tehniskās lietojumprogrammās, taču tas var paātrināt jebkuras programmas darbu, gan teksta apstrādē, gan CAD programmās. Taču šīm programmām matemātiskais procesors ir "jāpazīst", pretējā gadījumā tas izmantots netiks.
Lai gan sākot ar 486DX, NPU jau ir integrēts, uz pamatplatēm tam joprojām ir atstāta tā uzstādīšanas vieta (socket). Alternatīvs firmas Intel matemātiskais procesors ir firmas Weitek WTL4167, kas strādā ne tikai ātrāk, bet arī precizāk.