Počítačová škola pro začátečníky procesory

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

80×86 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.