Kapitel 8 Inuti och runt CPU

Original: http://www.karbosguide.com/books/pcarchitecture/chapter08.htm

I detta och följande kapitel kommer jag att fokusera på en närmare titt på processorn. Ett av målen är hjälp för dig att förstå varför tillverkarna hålla släppa nya och mer kraftfulla processorer. För att förklara det, måste vi gå igenom vad som kommer ibland vara en ganska detaljerad analys av CPU: s inre arbetet.

Några av kapitlen kommer förmodligen vara ganska svårt att förstå; Jag har tillbringat mycket tid själv på min „forskning“, men jag hoppas att det jag presenterar i dessa kapitel kommer att sprida lite ljus över dessa frågor.

Naturligtvis kommer jag att tillbringa större delen av min tid på de senaste processorerna (Athlon XP och Pentium 4). Men vi måste se över sina interna arkitekturer i ljuset av de äldre CPU-arkitekturer, om vi vill förstå dem ordentligt. Därför kommer jag ständigt att göra jämförelser mellan de olika generationerna av CPU.

Jag kommer nu att ta dig på en resa in i processorn. Vi börjar med att titta på hur företag som Intel och AMD kan fortsätta att utvecklas snabbare processorer.

Två vägar till högre hastighet

Naturligtvis snabbare CPU utvecklas som ett resultat av hårt arbete och massor av forskning. Men det finns två helt olika riktningar i detta arbete:

Mer kraft och hastighet i CPU, till exempel, från högre klockfrekvenser.
Bättre utnyttjande av befintlig processorkraft.
Båda metoderna används. Det är ett välkänt faktum att flaskhalsar av olika slag dränera CPU med upp till 75% av sin makt. Så om dessa kan tas bort eller minskas, kan datorn bli betydligt snabbare utan att behöva höja klockfrekvensen dramatiskt.

Det är bara det att det är mycket komplicerat att ta bort, till exempel flaskhalsen kring framsidesbuss, som jag kommer att visa dig senare. Så tillverkarna tvingas att fortsätta att höja räntan (klockfrekvens) fungerar, och därmed för att utveckla ny processteknik, så att CPU med mer kraft kan komma ut på marknaden.

Klockfrekvens

Om vi tittar på en CPU, det första vi märker är klockfrekvensen. Alla CPU oss ha en arbetshastighet, vilket regleras av en liten kristall.

Kristallen är ständigt vibrerar på ett mycket stort antal „slag“ per sekund. För varje klocktick, är en impuls sänds till CPU: n, och varje puls kan i princip, orsaka processorn att utföra en (eller flera) åtgärder.

Fig. 54. CPU arbetshastigheten regleras av en kristall som „svänger“ miljontals gånger varje sekund.
Antalet klocktick per sekund mäts i Hertz. Eftersom CPU kristallen vibrerar miljontals gånger varje sekund, är klockfrekvensen mätt i miljoner svängningar (megahertz eller MHz). Modern processor är faktiskt har klockfrekvenser på många miljarder fästingar per sekund, så vi har börjat att behöva använda gigahertz (GHz).

Dessa är otroliga hastigheter. Se själv hur korta tidsperioden är mellan enskilda klockan tickar på dessa frekvenser. Vi talar om miljarddelar av en sekund:

klockfrekvens

Tidsperiod per klock fästing

133 MHz
0.000 000 008 000 sekunder

1200 MHz
0.000 000 000 830 sekunder

2 GHz
0.000 000 000 500 sekunder
Fig. 55. CPU arbetar med en otrolig hastighet.

Trenden går mot allt större klockfrekvenser. Låt oss ta en närmare titt på hur detta är möjligt.

Fler transistorer

Nya typer av processorer utvecklas ständigt, där klockfrekvensen blir bara drivit upp ett hack. Den ursprungliga PC från 1981 arbetade på en blygsam 4,77 MHz, medan klockfrekvensen 20 år senare var upp till 2 GHz.

I fig. 56 kan du se en översikt över de senaste 20 åren av utveckling inom detta område. Tabellen visar de sju generationerna av Intel-processorer som har orsakat den PC revolutionen. Den senaste versionen av Pentium 4 är känd under kodnamnet Prescott.

 

Klock frekvens Tidsperiod per klock fästing
133 MHz 0.000 000 008 000 seconds
1200 MHz 0.000 000 000 830 seconds
2 GHz 0.000 000 000 500 seconds

 

Fig. 55. CPU arbetar med en otrolig hastighet.

Trenden går mot allt större klockfrekvenser. Låt oss ta en närmare titt på hur detta är möjligt.

Fler transistorer

Nya typer av processorer utvecklas ständigt, där klockfrekvensen blir bara drivit upp ett hack. Den ursprungliga PC från 1981 arbetade på en blygsam 4,77 MHz, medan klockfrekvensen 20 år senare var upp till 2 GHz.

I fig. 56 kan du se en översikt över de senaste 20 åren av utveckling inom detta område. Tabellen visar de sju generationerna av Intel-processorer som har orsakat den PC revolutionen. Den senaste versionen av Pentium 4 är känd under kodnamnet Prescott.

CPU Yr
(intr.)
Clock
Frequency
No. of
transistors
1 8088 1979 4.77- 8 MHz 29,000
2 80286 1982 6-12.5 MHz 134,000
3 80386 1985 16-33 MHz 275,000
4 80486 1989 25-100 MHz 1,200,000
5 Pentium
Pentium MMX
1993
1997
60-200 MHz
166-300 MHz
3,100,000
4,500,000
6 Pentium Pro
Pentium II
Pentium III
1995
1997
1999
150-200 MHz
233-450 MHz
450-1200 MHz
5,500,000
7,500,000
28,000,000
7 Pentium 4

“Prescott“

2000
2002
2003
2004
1400-2200
2200-2800
2600-3200
2800-3600
42,000,000
55,000,000
55,000,000
125,00

 

Fig. 56. Sju generationer av CPU från Intel. Antalet transistorer i Pentium III och 4 innefattar den L2-cache.

Varje processor har funnits på marknaden i flera år, under vilken tid klockfrekvensen har ökat. Några av processorerna släpptes senare i förbättrade versioner med högre klockfrekvenser, har jag inte inkluderat Celeron i översikts processorn. Celerons är speciellt rabatterade versioner av Pentium II, III, och fyra processorer.

Vem som helst kan se att det har skett en otrolig utveckling. Modern CPU är tusen gånger starkare än de allra första.

För att branschen ska kunna utvecklas snabbare CPU varje år, nya tillverkningsmetoder krävs. Fler och fler transistorer måste pressas i mindre och mindre marker.
Fig. 57.
Ett fotografi från en av Intels fabriker, där en tekniker visar Pentium 4 processorkärna. Det är en liten bit av kisel, som innehåller 42 miljoner transistorer.

Comments are closed.