5.4 Kloksnelheid van een processor
Het
kloppend hart van elke computer is de microprocessor of centrale
verwerkings-eenheid (C.V.E.), of in het Engels Central Processing Unit (C.P.U.
genoemd). Deze processor is
eigenlijk een blokje zwarte magie. Uit
kristallen zuiver silicium (=half-geleider) worden flinterdunne plakjes gesneden,
die als basis dienen voor de chips.
foto van een 486 processor (gemaakt in Taiwan).
De processor is een kleine microchip, die echter wel van
doorslaggevend belang is voor de prestatie van de computer.
Hoe sneller de processor, hoe sneller de computer.
De grootste fabrikant van processoren is INTEL, die een hele serie
processoren uitbracht. Concurrenten
van INTEL zijn AMD, IBM, CYRIX, …. (cfr. afbeelding).
foto van een AMD processor
Elke processor is weer anders (en beter)
dan de vorige. Voor de werking van
de programma's maakt dat niet zoveel uit. Versies
van programma's die met een oudere processor draaien, draaien ook op computers
met nieuwere processoren (dit is niet altijd andersom).
foto van een processor met een aangehecht koelblok.
De
naam van een type computer hangt vaak samen met die van de processor: bijvoorbeeld
de 286 of de 486. In maart 1983 werd de opvolger van de 486
geïntroduceerd
: de Pentium. Doordat een cijfercode niet gepatenteerd kon worden heeft
INTEL gekozen voor een lettercode als naamgeving (cfr. tabel).
De CPU zit
via een slot of een socket in het moederbord verankerd (cf. afbeelding hieronder).
Soms wordt de term ZIF of LIF gebruikt: LIF betekent Low Insertion Force,
terwijl ZIF staat voor Zero Insertion Force.
Het komt erop neer dat een processor niet meer vast gesoldeerd is op het
moederbord, maar op een eenvoudige manier kan
verwijderd worden en vervangen door een ander model.
De Pentium
II en de eerste Celeron’s worden niet meer in een processorvoet geplaatst.
Deze processor is samen met het cache geheugen op een insteekkaartje gezet.
Deze insteekkaart wordt in een speciale houder op het moederbord gestoken.
Deze houder wordt slot 1 genoemd.
Tevens is
een processor voorzien van een koeling aangezien hij een aanzienlijke
hoeveelheid warmte produceert. Meestal
is dit een aluminium gietstuk
bestaande uit een plaat met daarop een groot aantal uitsteeksels.
Aluminium is namelijk een van de best warmtegeleidende metalen.
De warmte van de processor
wordt dus door de uitsteeksels van het koellichaam afgestaan aan de in de
computerkast circulerende lucht.
op deze foto zie je de koeling en de ventilator die lateraal op het moederbord bevestigd zijn.
Veel
fabrikanten plaatsen ook een ventilator op het koellichaam.
De goedkope ventilatoren zijn niet gelagerd.
Deze gaan daardoor na verloop van tijd minder soepel draaien en
veroorzaken dan een behoorlijk kabaal.
op de foto zie je een close-up van de koeling op de processor.
tot slot zie je op deze foto een ventilator die is
losgemaakt van de processor, met de 3 kleurige stroomkabel.
Alhoewel
men zou verwachten dat de processor bij aankomst van een instructie deze direct
gaat uitvoeren, blijkt dit niet het geval.
De processor wacht met de uitvoering van de instructie tot er één of
meer kloksignalen per seconde afgegeven worden.
En het aantal kloksignalen wordt bepaald door de interne klokfrequentie.
Het is technisch mogelijk om op het
moederbord een hogere kloksnelheid in te stellen dan op de processor is
aangegeven. Dit noemt men
overklokken, maar het risico is dat de processor oververhit kan worden.
De snelheid van een processor
wordt mede bepaald door de kloksnelheid die aangeduid is in megahertz (MHz). Bij de nu verkochte processoren is de kaap van 2GHZ al overschreden.
2GHz of 2000 MHz wil zeggen
dat er 2000 000 000 kloksignalen per seconde afgegeven worden.
De processor bits spelen ook een rol ; dat is het aantal bits dat de processor tegelijk kan verwerken: dat varieert van 16 bit tot 32 of 64 bit.
In de onderstaande tabel vind je een overzicht van
de evolutie van processoren.
| processor | jaar van introductie | aantal transistoren |
| 4004 | 1971 | 2 250 |
| 8008 | 1972 | 2 500 |
| 8080 | 1974 | 5 000 |
| 8086 (XT) | 1978 | 29 000 |
| 80286 (AT) | 1982 | 120 000 |
| 80386 | 1985 | 275 000 |
| 80486 | 1989 | 1 180 000 |
| Pentium | 1993 | 3 100 000 |
| Pentium II | 1997 | 7 500 000 |
| Pentium III | 1999 | 24 000 000 |
| Pentium IV | 2000 | 42 000 000 |
Men spreekt in dit verband ook over de wet van Moore. Moore is een onderzoeker die werkte voor Intel en hij stelde dat om de 2 jaar het aantal transistoren op een chip zou verdubbelen. Tot op vandaag blijkt deze exponentiële groei inderdaad gehaald te worden.
grafiek die de wet van Moore illustreert
De processoren vanaf de 486 worden
hieronder kort besproken:
Bij de 486-serie komt het begrip
coprocessor om de hoek kijken. De
coprocessor werkt samen met de processor en neemt alle wiskundige berekeningen
voor zijn rekening. Vooral bij het
gebruik van programma's, zoals een tekenprogramma, is het verschil goed merkbaar.
486DX: de
processor heeft een ingebouwde coprocessor.
486SX: is de
DX-versie zonder coprocessor.
486SL: een
speciale versie voor de draagbare PC.
De 486DX2: is een
486 die op dubbele snelheid draait: de snelheid van de processor is twee keer zo
hoog, terwijl de snelheid van de overige onderdelen op het moederbord gelijk
blijft.
De 486DX4: Is een
486 die op driedubbele snelheid draait: de snelheid van de processor is drie
keer zo hoog, terwijl de snelheid van de overige onderdelen op het moederbord
gelijk blijft.
De Pentium (P5):
De Pentium kan meerdere instructies tegelijkertijd verwerken en beschikt extern
over een 32 bit adres bus en een 64 bit databus. Deze chip is weer een aantal malen sneller dan de 486.
Hij was verkrijgbaar in diverse kloksnelheden gaande van60 tot 200 MHZ
De Pentium Pro (P6): Deze processor is aanzienlijk sneller dan de Pentium:
hij is gespecialiseerd in 32 bit instructies die veel sneller verwerkt worden dan met een Pentium.
Om de voordelen van deze processor optimaal te benutten kan je het beste
Windows NT als besturingssysteem gebruiken.
foto van een pentium chip [bron: Intel]
MMX:officieel staan de letters
MMX nergens voor, maar de term MultiMedia eXtensions Dit zijn nieuwe multimedia
instructies die bepaalde toepassingen versnellen.
Pentium II: deze
kan beschouwd worden als de MMX van de Pentium pro. De processor zit samen met het cache geheugen op een apart
insteekkaartje. Deze processorkaart
wordt in een speciale sleuf (slot one) op het moederbord gestoken.
Een hogere bus snelheid zorgt ervoor dat externe randappatuur ook sneller
zal gaan werken.
De Celeron Processor:
INTELs antwoord op de goedkopere processoren van concurrenten als AMD en IBM
resulteerde in de Celeron processor. De Celeron processor is in principe identiek aan de Pentium
II processor, alleen ontbreekt bij de Celeron de L2-cache en (minder belangrijk)
het mooie plastic omhulsel. Het
weglaten van het dure L2-cache gedeelte zorgt voor een processor verkrijgbaar
in 266 MHz en 300 MHz uitvoering met een prijs die bijna de helft lager is dan
de Pentium II tegenhanger. Toch
is er een flink snelheidsverschil merkbaar.
Vooral bij Office-pakketten doet de Celeron erg onder voor de Pentium
II processor. Bij zaken als 3D-spellen
is de snelheid weer minder goed merkbaar: hier is de Celeron sneller dan welke
socket 7 processor dan ook. Dit
maakt de Celeron, kijkend naar prijs/kwaliteit verhoudingen, de ideale multimedia
processor.
De Pentium II Xeon: dit is de opvolger van de Pentium Pro.
Net als de Pentium Pro is de Xeon een processor die speciaal bedoeld is
voor zware server- en workstation-computers.
De Xeon kan werken met 4gb tot 8gb intern geheugen.
Verder werkt het L2-cache geheugen op de volledige processor snelheid.
Aangezien de processor snelheden tot 400 MHz behaalt is er een compleet
nieuw, door Intel zelf ontworpen, L2-cache geheugen gebruikt.
Dit L2-cache geheugen moet op dergelijke snelheden flink gekoeld worden,
en dat is ook de reden dat de Xeon processor-cartridge meer dan tweemaal zo
groot is als die van de Pentium II.
Pentium
III: Is
veel sneller dan zijn voorganger. 3D-omgevingen
worden door de Pentium III veel vlugger aangepast.
SSE zijn de nieuwe multimedia instructies in de Pentium III.
In vergelijking met de MMX-instructies heeft SSE er 70 nieuwe instructies
bij. Natuurlijk gaan de instructies
met de tijd mee. Gezien de enorme
verkoop van 3D-kaarten en spellen introduceerde Intel een processor die inspeelt
op deze behoefte. SSE zorgt voor
een aanzienlijke versnelling op 3D gebied.
Ook bepaalde internettoepassingen en programma’s met spraakherkenning
kunnen van deze instructies gebruik maken.
Maar daar ligt ook meteen de handicap: er is pas een versnelling wanneer
het programma gebruik maakt van die instructies. Anders is het verschil te verwaarlozen. Dit klinkt indrukwekkend, maar er is uitsluitend sprake van
snelheidswinst als de software speciaal hiervoor geprogrammeerd is.
Bij het updaten van deze site is deze pagina in principe al verouderd, gezien de snelle evoluties op de processorenmarkt. Met recente processoren wordt hier bedoeld processoren die medio 2003 op de markt courant verkrijgbaar zijn.
Processorfabrikant AMD (uit Sunnyvale, USA) brengt de Athon processoren op de markt. De gangbare processoren zijn:
AMD probeert steeds opnieuw INTEL de loef af te steken. Zo bleek in 2001 dat de Athlon XP 1800+ sneller was dan Intels Pentium IV 2GHZ. In dat jaar veroverde AMD ongeveel 1/4 van de markt van de processoren (waar dit nog maar 10% was het jaar daarvoor).
De getallen naast het type zijn ook misleidend. Een Athlon XP 2 000+ draait niet aan 2 000 MHz, zoals je zou verwachten, maar slechts aan 1 667 MHZ. Het getal 2 000 geeft de kloksnelheid aan waarmee een Athlon processor van de vorige generatie zou moeten draaien om dezelfde prestaties te halen als de nieuwe.
Bij de laatste update van deze cursus werd de Athlon XP 2.600+ aangekondigd.
De Pentium IV kwam uit in de tweede
helft van 2000. Naast de hogere kloksnelheid biedt deze processor ook een hogere
bussnelheid dan zijn voorgangers. In deze chip zitten 42 000 000
transistoren gehuisvest.
Momenteel kan je een pc krijgen met een Intel Pentium 4 variërend van 2,26 tot 3,06 GHz, met een FSB (Front Size Bus, zie later) van 533 MHz. De snelste P4's beschikken over hyperthreading. Dit is een technologie die een 'virtuele' tweede processor creëert die er op zijn beurt voor zorgt dat de beschikbare klokcycli nog efficiënter gebruikt worden.
Uit vergelijkende testen (zie PC magazine, februari 2002) blijkt dat Athlon de beste prijs/prestatieverhouding levert, terwijl de Pentium IV bedrijfszekerder is.
Er is ook een budgetversie van de P4, nl. de Pentium 4 Celeron. Je vindt deze processor terug in de goedkopere pc's & laptops.
Apple heeft met zijn nieuwste PowerPC
G5 de kaap van 4 GHZ doorbroken.
De G5 maakt gebruik van een
64 bit processor. Daarom ook dat Apple dit toestel als de snelste pc ter wereld
promoot.
De G5 bestaat in 3 versies: 1,6 GHZ, 1,8 GHz en een dual 2GHz (vandaar de 4HGz).
logo G5 (bron: www.apple.com)
Voor laptops worden speciale processoren gemaakt, die rekening houden met de specifieke noden van zo'n dun & licht toestel. Bekend zijn o.a. de Pentium M (1.3 of 1.6 GHz met 400 MHz FSB) en de INTEL CENTRINO. Verder gaan we hier niet op in. Maar neem even een kijkje op de sites van bovengenoemde processoren om meer hierover te vernemen.
Het cache geheugen is een geheugengebied dat een
buffer vormt tussen het werkgeheugen en de processor. Zoiets is nodig omdat moderne processoren zó snel zijn dat
ze de gegevens veel sneller kunnen verwerken dan het werkgeheugen ze kan
aanleveren. Door het plaatsen van (dure)
statische RAM chips als buffer tussen het intern geheugen en de processor kan de
werking van de processor aanzienlijk versneld worden.
De cache bestaat uit speciale (zeer dure)
geheugenchips die veel sneller zijn dan die van het gewone werkgeheugen.
Gegevens worden vaak meer dan één keer gebruikt.
Eenmaal gebruikte gegevens kunnen dan uit het veel snellere
cache-geheugen worden gehaald, zodat de processor niet op het werkgeheugen hoeft
te wachten. Bovendien probeert de cache te raden welke gegevens de
processor de eerstvolgende keer nodig zal hebben, zodat ze alvast opgehaald
kunnen worden, nog voor de processor ze werkelijk nodig heeft.
Computers met een 386 processor
of hoger hebben zo'n cache nodig. Bij
386 processoren is de cache extern, bij 486 processoren en hoger is al een cache
in de processor zelf ingebouwd. Toch
wordt in computers met een 486 processor of hoger vaak nog een tweede, externe
cache ingebouwd [second level cache] om de interne cache van de processor aan te
vullen.
De nieuwste processoren (Pentium
vanaf 1 00 MHz) zijn inmiddels zo snel dat zelfs bij gebruik van een interne en
een externe cache de processor toch regelmatig op de aanvoer van gegevens uit
het werkgeheugen moet wachten. Om
optimaal gebruik van zo'n processor te maken, is een ander type cache nodig het
zogenaamde pipelined burstcache (zie verder) en een werkgeheugen dat is
opgebouwd uit speciale, extra snelle geheugenchips (EDO-RAM).
Men spreekt over 2 soorten cache:
·
level 1 cache 1
·
level 2 cache
De level 1 cache is een onderdeel van
de CPU. De omvang is relatief klein,
maar door zijn plaats IN de centrale verwerkingseenheid is het effect groot.
De omvang van het level 1 cache bij een 486 was 8KB terwijl dit bij de
PII reeds 32 KB bedraagt.
Bij de
level 2 cache worden er op het moederbord chips geplaatst als cache-geheugen.
Het zijn statische RAM-chips (SRAM) (zie verder).
Dit soort geheugenchips is veel sneller dan de gebruikelijke dynamische
RAM chips (DRAM), maar natuurlijk ook veel duurder.
Bij de PII bedraagt het level 2 cache geheugen 1 MB.
In principe is het niet mogelijk om cache geheugen toe te voegen, dit in
tegenstelling tot het RAM geheugen.
Op Pentium-moederborden met een Triton-chipset is voor het level 2 cache een snellere toegang tot de processor gerealiseerd: de pipelined burst cache (die in staat is tot synchroon tweerichtingsverkeer i.p.v. het klassieke asynchrone éénrichtings-verkeer).
Naast de microprocessor
en zijn systeembussen (zie volgend hoofdstuk) zijn er een aantal ondersteunende
chips nodig om de computer vlot te laten werken.
Deze ondersteunende chips horen bij elkaar en worden daarom chipset
of Integrated peripheral controllers genoemd. De
chipset zorgt voor de verbinding tussen de processor en de buitenwereld, en
is als het ware het zenuwcentrum van de computer. Zo bepaalt de chipset o.a.
hoe snel de gegevens van de
harde schijven en van het RAM-geheugen
bij de processor geraken.
De afbeelding is van de chipset 82443B van 1998.
Een voorbeeld:
Intel produceert bv. de "i845", in 2 versies: de ene ondersteunt het traditionele SDRAM werkgeheugen, en er is een andere versie die DDR RAM ondersteunt (zie hoofdstuk 7: intern geheugen). De chipset werkt op 100 MHz.
De chipset
heeft 3 belangrijke functies. Hij
fungeert als
·
system
controller: deze regelt o.a. :
o
de timing van
de processor (timer)
o
het
onderbreken van programma’s voor prioritaire taken (interrupt),
o
gegevenstransport
naar het intern geheugen (DMA=direct memory access)
o
energiebeheer
·
peripheral
controller: regelt de verbindingen naar de interfaces waarop de randapparatuur
aangesloten zit. Het gaat met name
om:
o
businterface:
voor uitbreidingskaarten
o
floppy drive
interface
o
hard disk
interface
o
toetsenbordcontroller
o
I/O
(input/output) poort controller voor o.a. seriële en parallelle poorten.
·
memory
controller: hierin vindt o.m. plaats:
o
besturing van
het level 2 cache
o
EDO-RAM (zie
verder), enz….
Bekende merken op de markt van de chipsets zijn:
Een van de eigenaardigheden van chipsets is dat hetzelfde type geheugen dat in verschillende chipsets wordt geplaatst toch ongelijke performanties kan geven. In diverse tijdschrifte en on-line magazines kan je vergelijkende 'benchmarks' vinden.
Een recente chipset is de INTEL 875, of Canterwood genoemd. Deze chipset ondertsteund o.a. de volgende extra's:
De Intel-processoren onderscheiden 2 soorten interrupts: de hardware- en de software interrupts.
De software interrupts
zijn instructies in programma’s waarbij tijdelijk een stukje programma gestopt
kan worden om voorrang te geven aan de
uitvoering van een ander stuk
programma. Het is dus een kwestie van prioriteiten te kunnen verlenen, maar
ook om een programma te kunnen afbreken als het in een oneindige lus is
verzeild.
De hardware interrupts hebben hetzelfde effect, maar worden gecontroleerd door hardwarematige ingrepen. Het probleem is dat er slechts een aantal interrupts beschikbaar is.
Momenteel
zijn er 16 interrupts,of IRQ adressen (Interrupt Request)
beschikbaar op de moederborden, en dat is relatief weinig gezien de groei van de
aan te sluiten apparaten. Noodzakelijkerwijs worden sommige interrupts gedeeld
door verschillende randapparaten. Vaak worden de geluidskaart en de printer
samen in een interrupt gedeeld. Bijvoorbeeld:
IRQ 5 is gereserveerd voor de parallelle poort (printerpoort, zie verder) en
eventueel voor een geluidskaart.
|
interrupt
nummer |
functie |
|
IRQ 0 |
klok timer |
|
IRQ 1 |
toetsenbord |
|
IRQ 2 |
cascade van IRQ 9 |
|
IRQ 3 |
seriële poort 2
en 4 , en ev. netwerkkaart |
|
IRQ 4 |
seriële poort 1
en 3 |
|
IRQ 5 |
parallelle poort
2, geluidskaart |
|
IRQ 6 |
floppy disk |
|
IRQ 7 |
parallelle poort 1 |
|
IRQ 8 |
real time clock |
|
IRQ 9 |
EGA/VGA
beeldschermadapter |
|
IRQ 10 |
gereserveerd |
|
IRQ 11 |
gereserveerd |
|
IRQ 12 |
PS/2-muis |
|
IRQ 13 |
coprocessor |
|
IRQ 14 |
harddisk
controller 1 |
|
IRQ 15 |
harddisk
controller 2 |
From "Today’s Cartoon by Randy Glasbergen",
posted with special permission.
For many more cartoons, please visit Randy's site @ www.glasbergen.com
Bij DMA
of Direct Memory Access worden geheugenadressen geschreven en gelezen buiten de
processor om. Daardoor krijgt de
processor minder te verwerken en kan het computersysteem sneller werken.
Hiervoor
moeten dus bepaalde stukjes van het intern geheugen gereserveerd worden.
De busmaster-technologie is een moderne variant op de DMA-kanalen.
De busmaster zorgt voor snellere toegang tot de cd-rom speler en harddisk
zonder gebruik te maken van de microprocessor.