Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Введение

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в1971 г. произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до маститых ученых и инженеров. Этим машинам, не занимающим и половины поверхности обычного письменного стола, покоряются все новые и новые классы задач, которые ранее были доступны (а по экономическим соображениям часто и недоступны - слишком дорого тогда стоило машинное время мэйнфреймов и мини-ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных метров. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь колоссальной мощью при столь микроскопических размерах.

Процессоры

Первый шаг

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004 - именно такое обозначение получил первый прибор, послуживший отправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Создав новый рынок и захватив на нем господствующие высоты, Intel тем не менее стремилась расширить его границы, и за 25 лет процессоры проделали поистине гигантский путь.

Рассмотрим типы процессоров, которые применяются в данное время:

80286

Процессор i80286 был анонсирован 1 февраля 1982 г. Архитектура и характеристики чипа оказались весьма впечатляющими. Оставшись 16-разрядным прибором, по производительности новый ЦП в 3—6 раз превзошел своего предшественника (i8086) при тактовой частоте первой модификации 8 МГц. Благодаря использованию многовыводного корпуса разработчики смогли применить схему с раздельными шинами адресов и данных. 24 разряда адреса позволили обращаться к физической памяти объемом до 16 Мбайт — такую же емкость имели тогда и старшие модели большинства мэйнфреймов. Встроенная система управления памятью и средства ее защиты открывали широкие возможности использования МП в многозадачных средах. Кроме того, аппаратура i80286 обеспечивала работу с виртуальной памятью объемом до 1 Гбайт.

Новый ЦП имел два режима работы - реальный и защищенный. В первом случае он воспринимался как быстрый ЦП i8086 с несколько расширенной системой команд и прекрасно подходил тем потребителям, для которых, помимо скоростных характеристик, жизненно важным было сохранение существующего задела ПО. Работа в защищенном режиме позволяла использовать преимущества прибора в полном объеме, и прежде всего — большой объем основной памяти.

Первенец 32-разрядных систем

Первенец 32-разрядных систем i80386 был представлен 17 октября 1985 г. и имел все права на звание процессора для ЭВМ общего назначения. Использование КМОП-технологии с проектными нормами 1 мкм и двумя уровнями металлизации позволило разместить на кристалле 275 тыс. транзисторов и реализовать полностью 32-разрядную архитектуру ЦП. 32 разряда адреса обеспечили адресацию физической памяти объемом до 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Помимо работы с виртуальной памятью допускались операции с памятью, имевшей страничную организацию. Предварительная выборка команд, буфер на 16 инструкций, конвейер команд и аппаратная реализация функций преобразования адреса значительно уменьшили среднее время выполнения команды. Благодаря этим архитектурным особенностям, процессор мог выполнять 3 - 4 млн. команд в секунду, что примерно в 6 - 8 раз превышало аналогичный показатель для МП i8086. Безусловно, новый прибор остался совместимым со своими предшественниками на уровне объектных кодов.

Особый интерес представляли три режима работы кристалла ¾ реальный, защищенный и режим виртуального МП i8086. В первом обеспечивалась совместимость на уровне объектных кодов с устройствами i8086 и i80286, работающими в реальном режиме. При этом архитектура i80386 была почти идентична архитектуре 86-го процессора, для программиста же он вообще представлялся как ЦП i8086, выполняющий соответствующие программы с большей скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря этим качествам 32-разрядного продукта компания сохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося задела в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработки информации.

Одно из основных ограничении реального режима было связано с предельным объемом адресуемой памяти, равным 1 Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового ЦП. Размер адресного пространства в этом случае увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ до 64 Тбайт. Системы защищенного режима обладали более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности.

Наконец, режим виртуального МП открывал возможность одновременного исполнения ОС и прикладных программ. написанных для МП i8086, i80286 и80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен значением 1 Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред i8086.

10 апреля 1989 г. корпорация Intel объявила о начале выпуска 32 разрядного прибора второго поколения - i80486, ставшего после устройств i8080 и !8086 еще одним долгожителем.

Pentium

Стремительное усложнение программного обеспечения и постоянное расширение сферы применения компьютеров настоятельно требовали существенного роста вычислительной мощи центральных процессоров ПК. Ко всему прочему на пятки стали наступать и RISC-процессоры. Хотя в конце 80-х годов некоторые эксперты предсказывали близкий конец кристаллов СISC, корпорация Intel вполне справедливо посчитала, что до этого еще далеко и в микропроцессорах использованы не все возможности СISC-архитектуры. Кроме того, фирме вряд ли простили бы отказ от программной совместимости с предшествующими моделями - стоимость накопленного системного и прикладного ПО уже измерялась в миллиардах долларов.

Как это случалось не раз, проработки нового процессора начались, когда проект создания 486-го МП вступил в заключительную стадию. В основу продукта была положена суперскалярная архитектура (еще один атрибут из мира мэйнфреймов), которая и дала возможность получить пятикратное повышение производительности по сравнению с моделью 486DХ. Высокая скорость выполнения команд достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Для постоянной загрузки обоих конвейеров из кэш’а требуется широкая полоса пропускания . Совмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, и разработчики воспользовались решением из арсенала RISC-процессоров, оснастив Pentium раздельными буферами команд и данных. При этом обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся совершенно независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных с максимальной пропускной способностью 528 Мбайт/с. Еще одной «изюминкой» архитектуры, позаимствованной у представителей универсальных ЭВМ стала схема предсказания переходов.