1Аппаратные средства ЭВМ. 4 (стр. 5 из 43)
Важнейшей характеристикой любого компьютера является его быстродействие. Причем для ряда решаемых на компьютере задач одним из самых критичных параметров выступает скорость выполнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные универсальные микропроцессоры тратят на такие вычисления достаточно много времени. Поэтому вполне логичным было создание для этой цели специального устройства — микросхемы математического сопроцессора. До недавнего времени математический сопроцессор представлял собой специализированную интегральную схему, работающую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для одного — выполнения математических операций. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.
С другой стороны, хотя одно из значений слова "computer" и определяется как "тот, кто вычисляет", масса современных программных приложений, используемых на персональных компьютерах, вовсе не требует выполнения сложных математических операций. Впрочем, и интуитивно понятно, что для решения одних задач можно вполне обойтись без математического сопроцессора, для других же его отсутствие будет крайне нежелательным. Если не затрагивать специальных физических или математических (наверное, не очень сложных) задач моделирования, решаемых на персональных компьютерах, можно однозначно сказать о необходимости установки в компьютер математического сопроцессора для работы, например, с 3-мерной графикой, издательскими пакетами, электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с небольшими базами данных или обычными текстовыми редакторами, использование сопроцессора не даст никаких ощутимых результатов. Бесполезным окажется сопроцессор в вашем компьютере и при работе с сетевыми операционными системами. По некоторым оценкам, только треть всех владельцев персональных компьютеров эффективно используют математические сопроцессоры.
Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был NDP (Numerical Data Processor или МСР, Math Coprocessor) i8087 фирмы Intel, который появился еще в 1980 году, то есть за год до рождения первой "писишки" IBM. Отношение самой фирмы IBM к "собрату" i8088 было на первых порах достаточно прохладным — панелька (chip socket) для i8087 на системной плате компьютера, как правило, пустовала. Но со временем помимо "чисто интеловских" сопроцессоров в персональных компьютерах появились математические сопроцессоры и ряда других фирм, например ULSI (Ultra Larges Scale Integration), AMD или Cyrix.
1.3.7 Что означает термин "сверхмасштабный"
Рассуждая о том, насколько компьютеры каждого нового поколения быстрее своих предшественников, производители часто упоминают о сверхмасштабной (superscalar) производительности. Что же означает это загадочное слово?
Грубо говоря, это означает, что если частоты часов старого и нового PC одинаковы, то новый PC все равно будет работать быстрее старого. Если частота часов нового PC в два раза больше, то новый PC будет работать более чем в два раза быстрее старого. То есть, производительность растет не пропорционально частоте, а быстрее, отсюда и приставка "сверх".
Причин у сверхмасштабностй несколько. Обычно она достигается усовершенствованием внутренней структуры процессора, а именно, встраиванием дополнительных исполняющих модулей, увеличением размера конвейера инструкций, улучшением кэша L1 и. т. д. Другая причина сверхмасштабной производительности — это умение процессора "мыслить" на несколько ходов вперед, т. е. умение специально выполнять инструкции, очередь которых еще не настала, в надежде на то, что они понадобятся в дальнейшем. Если в дальнейшем дело действительно доходит до этих инструкций; то процессор пролетает их на повышенной скорости, не теряя времени на их выполнение. Есть еще один способ повысить производительность, не трогая частоту — поставить на материнскую плату дополнительный процессор.
Независимо от причин, термин "сверхмасштабный" (иногда используют не вполне удачную кальку суперскалярный) обозначает компьютер, работающий быстрее, чем можно было подумать. Это конечно здорово, но нет здесь той запутанности, мистичности (или техничности), которых можно было ожидать от расшифровки столь загадочно звучащего термина.
1.3.8 Тенденции развития микропроцессоров семейств INTEL-AMD.
Зачем изучать историю? – Это неинтересно! Зачем знать, в каком году был выпущен тот или иной микропроцессор? Скажете Вы. И будете не правы. Ибо, только изучая историю можно понять и предугадать будущее. Обратите внимание- процессор с 16-ти разрядной шиной данных i8086 появляется на год раньше процессора с 8-ми разрядной шиной данных i8088. Случайность – скажете Вы. А появление 32-х разрядного i80386DX на год раньше 16-ти разрядного i80386SX? А появление 486 SX позже 486DX? Просто на момент появления i8086 не существовало 16-ти разрядных приложений. Другими словами у появившегося процессора попросту не было потребителя на тот момент. Точно также большинству задач для 486 процессора не требовался сопроцессор. Таким образом, налицо тенденция развития рынка микропроцессоров – сначала появляется новый процессор, а затем более дешевый упрощенный его вариант, совместимый с существующими программными продуктами и аппаратным обеспечением. Вторая тенденция- это «поддержка программного и аппаратного обеспечения сверху вниз». Это означает, что любой новый процессор, например PENTIUM IV или DURON должен поддерживать весь набор инструкций более ранних процессоров, например i8088. Это связано со стремлением разработчиков «привязать» потребителя к конкретной платформе. И пусть этот набор инструкций морально устарел, зато потребителю не приходится переходить на другое программное обеспечение. Обратная сторона этой медали - невозможность кардинальных перемен, ведущих к значительному улучшению архитектуры процессоров.
Вообще, производительность процессора можно повысить тремя способами: увеличивая разрядность, повышая тактовую частоту, совершенствуя архитектуру. Разрядность микропроцессоров (РС совместимых) в настоящее время достигла стабильных величин – шины адреса 32 (4 Гб адресного пространства), шины данных 64. Действительно, пока сложно представить себе компьютер с более чем 4 Гб оперативной памяти. Работы в области увеличения тактовых частот процессоров ведутся очень активно, но это экстенсивный путь развития: повышение частоты в 2 раза при прочих равных увеличивает производительность на 70%, и имеет физический и технологический пределы. Например, на сегодняшний (или уже вчерашний) день это 1,5 –2 ГГц. Следовательно, основной путь развития – оптимизация структуры процессора, и за счет этого, увеличение производительности. Тенденций здесь несколько:
а. увеличение количества потоков, по которым могут производиться конвейерные вычисления,
в. увеличение внутренней кэш памяти и деление ее на несколько уровней, что позволяет держать в «быстрой» памяти основные и наиболее часто используемые данные,
с. и, наконец, разбиение «больших» команд на несколько более мелких и удобных для процессора.
Кроме того, есть ряд характерных тенденций в технологии производства микропроцессоров. Это:
· Увеличение производительности требует дальнейшего снижения теплоотдачи процессора, а достигнуть этого можно в основном за счет снижения напряжения питания (с 5 В в 1991 году до 1,5 В в 2002).
· Дальнейшее увеличение производительности возможно только за счет увеличения количества транзисторов на кристалле, а это требует совершенствования технологии производства и уменьшение расстояния между транзисторами на кристалле (с 0,6 микрон у Pentium I до 0,1 микрон у Pentium IV).
· Совершенствование системы охлаждения микропроцессоров.
Таким образом, можно уже сейчас предположить каким будет процессор через 2-3 года:
· Технология изготовления 0,1- 0,05 микрон,
· Тактовая частота 3-5 ГГц,
· Внутренний кэш 4-го уровня,
· Внешняя шина 200-500 МГц,
· Шина данных 128 (256?) разрядов,
· Набор инструкций RISC процессора, впрочем, эмулирующий все предыдущие версии.
При этом ошибочно было бы предполагать, что нельзя предугадать примерную цену на новый процессор. Дело в том, что цены на все высокотехнологичное оборудование меняются очень быстро. Связано это как с инфляцией, так и с необходимостью продвижения на рынке новых изделий. Таким образом, при себестоимости 5-10 долларов, продажная цена процессора может достигать величин 500-2000 долларов.
 |
Рисунок 3 зависимость цены микропроцессора от его производительности.
График зависимости цены микропроцессора в зависимости от его производительности представлен на рис.3. На этом графике специально нет координатной сетки, поскольку цена меняется практически каждую неделю, и следовательно, каждый может построить такой график сам для конкретного момента времени, используя любой индекс оценки производительности процессора (например iCOMP). Данную кривую можно аппроксимировать тремя прямыми, первая из которых, почти параллельная оси абсцисс, характеризует процессоры, выпускавшиеся 2-5 лет назад, и уже снятые с производства. Цена на них почти равна себестоимости. Третья, почти параллельная оси ординат, характеризует процессоры, выпускаемые в последнее время, а также только что выпущенные. Цена на них резко завышена. И, наконец, вторая прямая характеризует процессоры, производящиеся более года, но не более двух. Именно эти процессоры и являются оптимальными по соотношению цена/качество.