Продолжение.

Начало в №№ 42,45.

Central Processing Unit

(центральный процессор)

IBM PC начинались с микропроцессра 8086 фирмы Intel (точнее, с ?????лабленной и удешевленной версии 8088). Затем появились 80286,80386,80486 (общее обозначение – 80x86). Теперь Intel изменила систему обозначений, и вместо 80586 возник Pentium. Следующий процессор при разработке обозначался Р6, на рынке ожидался под именем Hexium (по-гречески "гекса" – шесть), но появился в продаже как Pentium Pro – в знак того, что принципиально от Pentium не отличается, только заметно лучше. Каждая новая модель умеет много нового – и лучше выполняет старое.

С каждым усовершенствованием ежесекундно подается все больше импульсов, синхронизирующих работу всего компьютера – тактов. 8088 работал с частотой 4,77 миллиона тактов в секунду (МГц); 286 начал с 6 МГц и дошел до 25; 386 -от 12 до 33; 486 – от 20 до 100. Pentium начал с 60 М Гц, сейчас обеспечивает 100 и в перспективе дойдет до 200. Pentium с частотой 60 и 66 МГц покупать не советую – это последние процессоры с напряжением питания 5 вольт (у более быстрых – 3,3 вольта), греются они страшно, так что надежность заметно меньше.

На столь высоких частотах другие компоненты компьютера работают с трудом. В 80486 возникли умножители тактов. Процессоры DX2 работают с частотой вдвое большей, чем остальной компьютер, a DX3 и DX4 – втрое большей (четверка в обозначении возникла по причинам рекламным).

Внутреннее устройство процессоров непрерывно совершенствуется, и каждый следующий тратит на одну и ту же работу вдвое меньше тактов, чем предыдущий. В 8088 одна команда занимала 5-15 тактов, в Pentium – 0,5-1 (внутреннее дублирование схем позволяет ему выполнять несколько команд одновременно).

Компьютер с процессором 80286 нужен разве что даром. Его хватит для набора и редактирования текстов, но любое дело посерьезнее займет значительно больше времени, чем можно ожидать.

А процессор 8088 даже в подарок не берите. Ваше время, которое придется тратить, ожидая его работы, стоит куда дороже.

Так что большинство нынешних программ пишутся в расчете на 80386. Тем более что в этой модели возникло множество принципиальных новшеств, которые в 80486 и Pentium воспроизведены почти без дополнений. А для дешевых машин создан 80386SX, который по всем внешним подключениям соответствует 80286 (у полномасштабного 386DX контактов гораздо больше, и печатная плата для него намного сложнее).

Motorola на каждый новый процессор Intel отвечала своим, заметно лучшим: 68000 (соперник 8086) сменился 68020, 68030, 68040... Увы, это всегда происходило с опозданием на год-два, и Apple оказывалась в положении догоняющей. Новейший процессор этой серии – 68060 – значительно мощнее Pentium, но остался практически незамеченным. Apple переориентировалась на RISC-процессор PowerPC, a 680x0 будут, вероятно, использовать теперь лишь клонмейкеры, и то вряд ли долго...

Цена процессоров растет медленнее, чем мощность. Кроме того, процессор – лишь небольшая (хотя и главная) часть компьютера. Так что экономить на нем не стоит. Но к мощному процессору и прочие компоненты обычно ставят лучшие. Поэтому цена обычных комплектов компьютеров зависит от процессора весьма заметно.

И все-таки покупайте самый мощный процессор, на какой хватит денег. Причем будьте готовы года через два заменить его новым.

"Intel inside" ("Внутри – Intel")

Первый завод фирмы Intel находится около аэродрома. Имеет плоскую серую крышу. Не удивительно, что летчики часто путали его с посадочной полосой и обнаруживали ошибку за считанные метры до возможной аварийной посадки. Во избежание катастроф и убытков на крыше в конце концов написали: "Intel inside" ("Внутри – Intel").

Intel-подобные микропроцессоры выпускают еще несколько фирм -Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix, Texas Instruments (Tl)... Все они заметно дешевле оригинальной продукции Intel (ибо не включают затрат на разработку), зачастую быстрее (Intel 80386 доходит до 33 М Гц, аАМО-до40). Но обычно внутренние их особенности уменьшают среднее число действий за один такт. Хотя всякое бывает. Недавно фирма NexGen выпустила процессор, совместимый с Pentium, но выполняющий за такт в среднем процентов на 5 больше.

В любом случае низкая цена в сочетании с неплохой производительностью делает клоны притягательными. Intel начала терять рынок. Долгое время это не мешало – отдав клонмейкерам воспроизведение старых разработок, фирма собирала сливки с новинок. Но по мере наступления усовершенствованных клонов ситуация осложнилась.

И руководство фирмы развернуло рекламную кампанию под лозунгом, списанным с собственной крыши. Теперь надпись "Intel inside" на компьютере означает, что внутри установлен именно процессор производства самой фирмы Intel, а не клон. Это должно гарантировать совместимость и качество.

Насколько это для вас важно – судить не мне. Лично я с проблемами на процессорах AMD не сталкивался. Опыта работы с Cyrix не имею, знаю лишь, что они дешевле AMD, но и слабее. По-моему, наклейку "Intel inside" стоит принимать во внимание лишь при прочих равных условиях.

Arithmetic Coprocessor (арифметический сопроцессор)

Набор команд процессора велик, но все же ограничен. Все сколько-нибудь сложное выполняется длинными последовательностями команд – программами. Но некоторые действия встречаются так часто, что для их выполнения создаются специализированные микросхемы – сопроцессоры.

В IBM PC используется арифметический сопроцессор (Intel 8087, 80287, 80387), выполняющий действия "с плавающей точкой" – особо употребительные в научных расчетах, где важен широкий диапазон обрабатываемых чисел. Поскольку основная часть персональных компьютеров с наукой не связана, сопроцессор устанавливали лишь по особому заказу.

Но плавающая точка резко упрощает многие построения в машинной графике – особенно трехмерной. И с распространением графики сопроцессор стал почти обязателен. В 80486 сопроцессор встроенный, т.е. выращен на том же кристалле, что и основной процессор. Впрочем, для особо экономных пользователей выпускается 486SX – без сопроцессора. А для раскаявшихся в экономии – сопроцессор 487SX. Pentium без сопроцессора (пока?) не делают.

В отличие от основных процессоров, сопроцессоры других фирм делают за один такт раза в 1,5-2 больше, чем МеГовские. А изделия фирмы Weitek – раз в 10. К сожалению, сопроцессоры Weitek используют не 1ШеГовскую систему команд. Поэтому их применяют только со специально написанными программами (в основном это системы машинной графики).

У самой Intel с сопроцессорами традиционная проблема: первые выпуски каждой новой модели содержат ошибки. Вот и сейчас ошибка – правда, достаточно редко проявляющаяся – обнаружена в блоке плавающей арифметики Pentium. Для ускорения операции деления там применены таблицы. В них и напутали. Фирма обещает заменить Pentium старых выпусков любому, кому это мешает.

У арифметических сопроцессоров Motorola серии 688x2 таких проблем не возникало. Ни по производительности, ни по надежности. И процессор 68040 со встроенным сопроцессором вполне эффективен. Хотя его версия LC без сопроцессора все же выпускается. PowerPC пока без сопроцессора делать не планируют.

Нужен ли сопроцессор вам? Если ограничиваетесь играми, делопроизводством и бухгалтерией – не нужен. А если у вас много графических работ или сложных расчетов...

Cache Memory (буферная память)

Современные процессоры работают намного быстрее обычных устройств машинной памяти. Поэтому, чтобы их не задерживать, в компьютер включают особую память, по скорости сравнимую с процессором. В ней информация всегда готова к использованию – подобно наличным деньгам (cash). Но название взято от созвучного в английском произношении французского слова cache – скрытый. Ибо буфер включают так, чтобы программы его не замечали.

Быстрая память стоит дорого. Поэтому ее устанавливают немного, а основную часть памяти выполняют на сравнительно медленных микросхемах. Специальные схемы управления буферной памятью – кэш-контроллеры – следят за тем, чтобы cache содержал копии наиболее часто используемой информации.

Начиная с 80486 и 68040 небольшой кэш встраивается непосредственно в процессор. Поэтому в эти процессоры встроен и кэш-контроллер. Именно благодаря встроенному буферу они могут работать с умноженной частотой. Но в компьютере все равно устанавливают и обычный кэш – второго уровня.

В 68040 и Pentium используются раздельные встроенные кэши для команд и данных, в 80486 и PowerPC – единый. Каждый из этих вариантов имеет и преимущества, и недостатки, проявляющиеся в зависимости от характера выполняемых программ. Поэтому точно предсказать заранее, какой кэш лучше для вашего компьютера, невозможно. Кэш второго уровня практически всегда единый – для раздельных требуется слишком сложное оборудование.

В 80486 встроено 8 Кбайт кэш-памяти, в Pentium – 16. В компьютерах с процессором 80386 устанавливают до128 Кбайт кэша, 80486 – до 256, Pentium – до 512. Такие объемы обеспечивают приемлемо малое число обращений к основной памяти.

Экономить на cache memory не советую. Эта экономия многократно перекроется потерями времени в работе.

Процессор NexGen имеет для связи с кэшем второго уровня отдельную шину. Рост числа контактов и усложнение корпуса окупаются отсутствием задержек при доступе к кэшу, а значит, большей скоростью.

В Pentium Pro пошли дальше. Мало того что шина для кэша, по примеру NexGen, отдельная – так еще сам кэш второго уровня, хотя и на отдельном кристалле, но помещен в тот же корпус. 256 Кбайт. Хотя для такого мощного процессора этого, пожалуй, маловато. Того и гляди появится кэш третьего уровня...

Кэш-память встраивают и в современные дисковые накопители. В дешевые – десяток килобайт (на одну дорожку записи). В дорогие – несколько мегабайт (на солидные файлы).

Write-through/Copy-back (сквозная/обратная запись)

То, что процессор записал в кэш, копируется в основную память немедленно (сквозная запись, write through) или откладывается до наиболее удобного момента, когда сам процессор к памяти не обращается (обратная запись, copy back). Контроллер для сквозной записи проще и дешевле, но обратная обеспечивает лучшее быстродействие. Кэш-контроллер Intel 80486 работает со сквозной записью, а его конкурента AMD – с обратной. С этого года Intel пришлось перейти на обратную запись – конкуренция заставила! Хотя в многопроцессорных системах обратную запись применять трудно: как быть, если один процессор нуждается в данных, которые другой уже изменил, но в основную память еще не записал? Так что для многопроцессорных компьютеров используют либо сквозную запись, либо специальные (сложные и дорогие) схемы синхронизации.

В процессорах Motorola можно для разных страниц ОЗУ задавать разные режимы копирования из кэша. Зная характеристики своих программ, можно такой настройкой заметно повысить быстродействие, не влияя на надежность системы.

Random Access Memory (оперативная память)

Основная память компьютера отличается от прочих устройств памяти прежде всего тем, что к любому ее месту можно обратиться одинаково быстро, даже если делать это в случайном порядке (random access).

Большинство старых программ всякими правдами и неправдами укладываются в несколько сот килобайт – ведь на первых IBM PC стояло от 128 до 640 Кбайт. Дополнительной памяти требовали только электронные таблицы и сложная графика.

Но нынешние операционные системы многозадачные. Они позволяют нескольким программам действовать одновременно и, главное, взаимодействовать между собой. Очень удобно, например, не встраивать в издательскую систему средства рисования, а обращаться из нее к специальной (и поэтому лучше работающей) рисовальной программе. Однако для этого обе программы (и обмениваемые данные) должны находиться в памяти!

Конечно, можно использовать как продолжение памяти магнитный диск. Но переключения с задачи на задачу замедляются в десятки раз. Так что для эффективной работы нужна основная память.

И много. Windows 3.1 – хотя бы 2 Мбайт, OS/2 3.0 и Windows 95 – 4, Windows NT 3.5 – 8. Причем эти требования минимальные. Для приемлемой скорости работы с наиболее часто используемыми комбинациями программ эти цифры надо хотя бы удвоить.

На больших компьютерах принято ставить по одному байту памяти на каждую операцию в секунду. По этому правилу Pentium с частотой 100 МГц требовал бы примерно 128 Мбайт. Дороговато! Приходится уменьшать память – и мириться с простоями процессора.

Конечно, нарастить память куда легче, чем заменить процессор. И наращивать придется – новые программы имеют новые возможности, требующие все больше памяти. Но лучше сразу иметь небольшой запас – не дополнять же компьютер ежемесячно!

Сейчас 1 Мбайт RAM стоит $40-50. Так что 8-16 Мбайт вам, скорее всего, по карману. А года через два, когда пополнение будет явно необходимо, цена может упасть раза в полтора...

Extended Correction Code (расширенный исправляющий код)

Оперативная память подвержена многим помехам. Поэтому обычно к каждому байту добавляют девятый бит – контрольный. Общее число единиц во всех девяти битах должно быть четным. Если это не так – значит, память сбоит. И компьютер бьет тревогу.

Иногда для удешевления используют память без контроля четности. Экономия – процентов 15 от общей цены памяти, т.е. порядка $50-100 на весь компьютер. Незамеченные сбои, как правило, обходятся дороже...

Но даже если сбой замечен, информация уже разрушена. Существуют способы автоматического ее восстановления. Они требуют большей избыточности памяти и соответственно повышают ее цену. Поэтому память с расширенным исправляющим кодом используют прежде всего в мощных машинах, решающих серьезные задачи. Подсчитайте, стоит л и ваша работа расходов на ЕСС?

Burst mode (вспышечный режим)

Обращения к оперативной памяти далеко не всегда размещены случайно. Чаще они группируются так, что довольно длинные участки обрабатываются подряд.

Новейшие микросхемы памяти позволяют при обращении к ячейкам, идущим подряд, передавать меньше адресной информации. Это экономит время на обмены с памятью. Большие участки памяти охватываются единым обращением, как будто высвечиваясь вспышкой из тьмы общей массы информации.

Вспышечный режим обмена поддерживается сейчас большинством видов микросхем кэш-памяти и ее контроллеров. Но сейчас и в обычной оперативной памяти burst mode начинает активно применяться.

И не только он. Есть и специфические приемы ускорения, ориентированные прежде всего на оперативную память.

Extended Data Out (расширенный вывод данных)

Во многих видах оперативной памяти информация при чтении разрушается, и ее приходится записывать заново. Так что цикл ????? оказывается раза в полтора ????? в два, так как адрес передается единожды) дольше цикла записи.

К сожалению, общепринятая в персональных компьютерах динамическая оперативная память также обладает этим малоприятным свойством. Особенно мешает оно при работе в burst mode, так как повторные обращения к каждому элементу памяти мешают логике последовательных обращений этого режима.

Недавно появились микросхемы памяти, в которых обратную запись берут на себя дополнительные элементы. Совмещая обратную запись с обращениями к другим ячейкам памяти, удалось сократить цикл чтения почти до цикла записи.

Совокупность средств работы во вспышечном режиме, ускорения обратной записи и других приемов, которые перечислять долго и неинтересно, получила название расширенного вывода данных.

Конечно, все эти тонкости усложняют, а следовательно, удорожают компьютер. Тем более что они должны обеспечиваться не только самими микросхемами памяти, но и контроллером – компонентом основной платы, непосредственно с памятью работающим. В среднем компьютер с расширенным выводом данных работает процентов на 7 быстрее, чем с обычной памятью, и стоит процента на 3 дороже. Пожалуй, EDO окупается.

{НАЧАЛО ВРЕЗКИ}

От редакции

Весь этот фрагмент – исторический. В частности, ошибка деления в Pentium давно забыта. Традиционная нелюбовь программистов к Intel, которую так отчетливо демонстрирует Анатолий Вассерман, объясняется тем, что эта фирма сделала своим приоритетом производительность и функциональную насыщенность кристалла в ущерб красоте архитектуры и удобству программирования.

Грубо говоря. Motorola делала ставку на разработчиков, a Intel – на конечных потребителей. Забота о разработчиках в конце концов окупается, но не все же потребители так дальновидны. Результат налицо.

От редакции

1.128 Мбайт на Pentium – это крайности: на самом деле соотношения, характерные для больших многозадачных и многопользовательских систем (по современному – серверов), для персоналок неприменимы. До нормальной работы процессора стандартные комплекты недобирают, я думаю, вчетверо. На RAM необоснованно экономят, понижая ее размер до уровня минимальной работоспособности. 2. Объяснение работы EDO RAM дано неточно. Все сложнее и разнообразнее. Роль ее тоже не сводится к выигрышу нескольких процентов. Новые технологии памяти интенсивно развиваются и вот-вот начнут вытеснять кэш, работая с процессором напрямую, что крайне желательно для многозадачных операционных систем.

{КОНЕЦ ВРЕЗКИ}