Počítačová škola pro začátečníky procesory

Archiv | 01.03.98

Úvod Mozkem každého počítače je CPU, čili centrální procesorová jednotka, realizovaná dnes formou jednoho č...







Úvod

Mozkem každého počítače je CPU, čili centrální procesorová jednotka,
realizovaná dnes formou jednoho čipu -- mikroprocesoru. Rozhoduje
o výsledném výkonu počítače -- a tedy i o délce jeho životnosti
-- a současně představuje významnou část jeho ceny. Je to pojem,
jenž nás provází vlastně celou počítačovou revolucí -- ostatně
v minulém roce jsme oslavili 25. výročí vzniku mikroprocesoru.
Procesor je zároveň a nepochybně nesložitější a na vývoj
nejdražší komponentou počítače, kterou si dnes může dovolit
vyrábět jen skutečně několik málo firem. K úplném pochopení
principů jeho činnosti bychom museli získat představu o paralelní
činnosti několika stovek jeho podčástí, vytvořených z několika
milionů tranzistorů. K pochopení funkce počítače -- ani v případě
jeho vlastní stavby -- to naštěstí není potřeba.

Černé krabice mezi námi

Pro běžné účely plně postačí chápat procesor jako jakousi černou
krabičku, provádějící požadované úkony. Analogii můžeme nalézt
třeba u televizorů, kde je pro nás většinou rozhodující značka
(výrobce procesoru) a velikost úhlopříčky (pracovní frekvence).
Teprve potom budeme uvažovat, zda je obrazovka širokoúhlá (MMX
rozšíření) a jak se vnitřní obvody projevují při reprodukci
určitých typů filmů (koprocesor u matematických operací apod.).
Procesor musí plnit svůj úkol, což jsou výpočty založené na jasně
definované a omezené sadě operací. Jejich kódy se posílají do
procesoru po vyhrazených řídicích drátech (sběrnici), operace se
pak provádějí na datech přicházejících pro změnu po datových
drátech. To vše musí probíhat do značné míry synchronizovaně
a organizovaně, ovšem důkladnější rozbor si ponecháme do příštího
"shrnovacího" dílu, kdy tikání procesoru dáme do souvislostí
s rychlostí paměti, motherboardu a vůbec celého prostředí
počítače.
Po našich černých krabičkách dále chceme, aby byly stále
rychlejší a podporovaly větší počet operací (nejlépe současně
prováděných). A o to se musí postarat nejen jejich -- námi
ignorované -- vnitřnosti, ale také základní desky, procesor
bezprostředně obklopující. A tady se vynořují dva hlavní
problémy.
Tím prvním je množství potřebných řídicích a datových drátů
a "nožiček" procesorů, které to s příchodem 32bitové generace
dotáhly na trojnásobné oplocení -- trojitou řadu kontaktů po
obvodu čipu (321 kusů, pokud to chcete mít pünktlich). Druhým je
neustále stoupající frekvence příkazů posílaných po nožičkách --
vzniká tak proud, který u "FM frekvencí" stovek megahertz může
indukcí nadělat v okolních obvodech (a radiopřijímačích) velmi
hlučnou paseku. Tyto problémy by měl řešit odpovídající slot pro
umístění procesoru.
Běžným typem dnešního procesorového uchycení je tzv. patice ZIF
(Zero Inzertion Force), kde se procesor položí do zdířek
a zajistí páčkou. Jak název naznačuje, není třeba žádné síly,
stačí jen vědět, že patice obsahuje čelisti zajíždějící
(uvolňující se) do strany po zvednutí páčky.
Z hlediska výměny procesoru není nic jednoduššího, a pokud je na
desce více patic, můžeme s potřebou dalšího výkonu přidávat
procesory, nebo již existující vyměňovat za novější... Velikost
a počet zdířek patice se pochopitelně měnila s procesory, takže
se nemusíme bát, že se nám podaří spojit nepatřičnou dvojici
procesor--patice (dnes se používá jen Slot 7 a Slot 8 -- viz dále
typy procesorů). Nynější patice jsou navíc nesymetrické --
v jednom rohu je o otvůrek méně -- a procesor nelze zasunout
pootočený.
Jak jsme si řekli v části o základních deskách, je to právě
vlastněný motherboard, který rozhoduje svým slotem o použitelných
typech procesorů. Ty pracují jen na určitých pracovních
frekvencích, jež musí být "rozumným násobkem" rychlosti
motherboardu (viz příští díl), ale ještě ke všemu vyžadují různá
napětí. Může se tak např. stát, že ač motherboard akceptuje
frekvence procesoru 200 a 233 MHz, nelze ten rychlejší model
použít kvůli lišícímu se pracovnímu napětí.
Všechny tyto charakteristiky -- pokud to jde -- je třeba
motherboardu nějak sdělit. Většinou budeme potřebovat manuálek,
a pro daný procesor překopírovat korektní nastavení všech těch
"jumperů" na desce. (Že jste si nekoupili desku bez manuálu, že
ne?)
Patice ZIF se osvědčily, ale pro vyšší frekvence a stále rostoucí
počet typů procesorů již nevyhovují, a od této metody se zřejmě
v blízké budoucnosti ustoupí a přejde se na prostou řadu kontaktů
(SECC -- Single Edge Contact Cartridge) -- obdobně jako u slotů pro
paměti (viz minulý díl). Do těchto kontaktů se zasune malá deska
s procesorem -- někdy označovaná jako deska dceřiná. S tímto
přístupem se můžeme setkat u počítačů s procesorem Pentium II
i u některých riscových modelů. Jak to bude vypadat
v bezprostřední budoucnosti, se tedy teprve uvidí.

Něco historie

Nyní ale užijme něco historie. Bude určitě zábavné připomenout si
roky uvedení jednotlivých procesorů na scénu, protože lidské
vnímání času funguje dosti ledabylým způsobem. Určitě budete
překvapeni, kolik času uplynulo od premiér modelů procesorů,
které byly často považovány za technologické milníky (často jim
to vydrželo i několik let). Právě použité procesory přitom
nadefinovaly jasně separované generace počítačů. (V přiložené
tabulce může čtenář nalézt typický rozsah frekvencí
a charakteristické vybavení počítače každé takové generace.)
Mimochodem, budeme se držet zavedené tradice a procesory typu
80x86 budeme, označovat jen jejich posledním trojčíslím. To taktéž
znamená, že se budeme zaobírat pouze produkty firmy Intel,
protože ostatní firmy mají přece jen minoritní zastoupení na trhu
a nikdy procesory podstatně neposouvaly kupředu, jen vyráběly
variace na "intelovské téma."

Třída XT -- 8086, 8088

Skutečně to pravé a originální PC bylo předvedeno světu roku
1981 firmou IBM. Postaveno bylo na 16bitovém procesoru 8088,
který obsahoval pouhých 30 000 tranzistorů. Podstatou jeho návrhu
bylo především snadné portování aplikaci tehdy majoritní
platformy CP/M. Čip zpracovával zásadně jen instrukci v daném
okamžiku, a i to trvalo několik taktů vnitřních hodin počítače
(o frekvenci 5 MHz).
Počítače této kategorie, označované jako XT, byly sice značně
primitivní a limitované, přesto vytvořily jeden z nejvýraznějších
standardů hardwaru, který musely respektovat -- tedy i podporovat
-- všechny následující generace počítačů/procesorů.

Třída AT -- 286

Šestnáctibitový procesor 286 byl poprvé použit před 14 lety v počítači
IMB AT roku 1984. Počet tranzistorů použitých v procesoru byl
ztrojnásoben na cca 100 000 kousků a jednotlivé části čipu byly
pseudosamostatné, tzn. části následujících instrukcí byly
zpracovávány paralelně.
Šlo jen o rychlejší variantu počítače XT, a ač procesor zvládal
adresaci až 16 MB paměti, nejtypičtější vybavení počítače nebylo
příliš vzdálené od jednoho megabajtu. Na takovémto stroji sice
lze spustit DOS či Windows 3.1 a odpovídající užitečné aplikace
v dostatečné rychlosti -- např. textový procesor, ale z důvodu
naprosté ztráty podpory vývojáři je lepší se k počítačům AT vůbec
nepřibližovat, a pokud nějaký vlastníte v domácnosti, rychle se
jej zbavte.

Třída 386, 486 a Pentium

Tato třída je obsáhlejší, protože zahrnuje všechny 32bitové
procesory.

80386

Procesor Intel 80386 byl poprvé použit v počítači v roce 1986
firmou Compaq. Počet transistorů opět poskočil na trojnásobek --
300 000. 386 zavedl 32bitový mod a jeho podstatně vylepšená
architektura byla přenesena i do následujících modelů včetně
procesorů Pentium.
Právě 32bitovost, kterou se od té doby neustále argumentuje, je
přitom dosti zavádějící termín. Nejde jen o schopnost pracovat
s instrukcemi a daty délky 32 bitů, je to označení celé
architektury s různými pracovními a adresovými mechanismy. Přitom
levnější varianty, označované jako 386SX či LX, jsou právě
v takovémto ohledu někde na půli cesty a dnes se už vůbec
nevyplatí brát je v potaz a namáhat se s vysvětlováním. Na různé
reálné a "protected" pracovní mody je zase ten pravý čas
u operačních systémů, které s jejich pomocí pracují.
386 může adresovat až 4 GB paměti, a moderní systémy včetně
Windows NT nepředstavují principiální problém. Pokud se ovšem
podíváme na nastupují generaci softwaru vytvářenou v Javě
a dalších interpretovaných (jinými slovy velmi pomalých)
jazycích, zjistíme, že prostě stále ještě nepředstavují
perspektivní hardware, a totéž kritérium lze ostatně použít i na
počítače s procesorem 486.

80486

Procesor 486 pochází z roku 1989 a tato čtvrtá generace procesorů
byla vybavena 8 KB vnitřní rychlé paměti a pomocným matematickým
koprocesorem -- to vše bylo realizováno s cca 1 000 000
tranzistorů. Rychlost podstatně poskočila spolu s pracovní
frekvencí, která u posledních modelů překročila hranici 100 MHz.
Stejně jako u procesoru 386 přitom existují varianty, vzniklé
z marketingových důvodů. Obzvláště podařené jsou ty 486SX, bez
koprocesoru -- který tam vlastně je, ale je poškozený laserovým
paprskem a i přes svou nefunkčnost stále "žere" proud!
Pokud je PC vybaveno rychlým procesorem 486, sběrnicemi PCI, může
v našich podmínkách představovat velmi levnou a pro práci
dostačující investici. Žádné zázraky ale nečekejme, moderní
počítače s procesory Pentium jsou prostě několikanásobně
rychlejší.

Pentium

Roku 1993 bylo konečně vyvinuto Pentium, jehož varianty dnes
nalezneme ve všech nových počítačích. Tato pátá generace je
vybavena více než třemi miliony tranzistorů. Byla to především
přidaná vnitřní výpočetní jednotka, která umožnila větší
paralelnost vnitřní práce a podstatné zvýšení rychlosti. Název
Pentium se používá i pro následující (všechny dosavadní) generace
čipů firmy Intel, místo do té doby užívaného číselného
označení.
V roce 1995 následovalo Pentium Pro, optimalizované pro 32bitové
operační systémy a aplikace. Jeho název je přitom poněkud
zavádějící, neboť je to skutečně představitel přepracované šesté
generace, nikoli jen mírně vylepšené Pentium. Mezi povinné
znalosti ovšem patří vědět, že ač výkony Pentia Pro jsou skutečně
dodnes výborné, pro 16bitové aplikace a systémy (tedy Windows
3.1, ale i Windows 95) se prostě nehodí.
Na Pentia MMX a Pentium II se můžeme dívat jako na původní
Pentium a Pentium II, rozšířené o speciální sadu multimediálně
orientovaných instrukcí, přičemž jsou současně stavěny pro vyšší
rozsahy frekvencí. K stále se lepšícímu výkonu přispívají také
měnící se vyrovnávací paměti -- L1 přímo v procesoru a L2 ležící
"vedle" něj. Tady jde již o současné dění ve světě počítačů, na
kteréžto téma vyšlo v PC WORLDu nespočet článků.
Z hlediska uchycení využívají Pentia MMX ZIF Slot 7,
Pentium Pro ZIF Slot 8 a Pentium II Slot Two (SECC). Ostatní
producenti, vyrábějící konkurenci intelovských procesorů, se
prozatím drží ZIF Slotu 7.

Závěr

V tomto krátkém přehledu jsme se zdrželi popisu riscových
procesorů -- se kterými se potkáváme jen zřídka, a určitě si je
nebudeme shánět pro domácí stavbu počítače. Procesory
nepocházející od firmy Intel se v základních parametrech nijak
zvlášť neliší a vlastní volba je většinou dána cenovým, nikoli
technologickým rozhodnutím.
Další detaily o procesorech a rozdílech mezi jednotlivými
generacemi vyplynou z dalšího dílu seriálu, kde naleznete
podrobnosti o frekvencích a taktování jednotlivých částí
počítače.












Komentáře

K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.