Процессоры

Corporation, Нью – Йорк) "Я работал с Windows и OS/2 в сети Banyan Wines,

используя OverDrive процессор без единой заминки. Моя усовершенствованная

система с i486SX 25 МГц работает не хуже, чем системы на 50 МГц."

Стив Симмонс: (технический менеджер, Даллас)

"Windows визжит от счастья, когда работает с OverDrive процессором. Расчеты

на электронной таблице в Excel выполняются мгновенно."

3.9. Процессор Pentium.

В то время, когда Винод Дэм делал первые наброски, начав в июне 1989

года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот

продукт будет одним из главных достижений фирмы Intel. Как только

выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего

тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология,

позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с

использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с

помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог

работать в реальной системе. В дополнение ко всему, в процессе разработки и

тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные

разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что

немало способствовало общему успеху проекта. В конце 1991 года, когда была

завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное

обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и

прохождение сигналов по подложке с целью оптимизации топологии и повышения

эффективности работы. Проектирование в основном было завершено в феврале

1992 года. Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров,

в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992

года было принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium

процессора. В качестве основной промышленной базы была выбрана 5 Орегонская

фабрика. Более 3 миллионов транзисторов были окончательно перенесены на

шаблоны. Началось промышленное освоение производства и доводка технических

характеристик, завершившиеся через 10 месяцев, 22 марта 1993 года широкой

презентацией Pentium процессора.

Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой

подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой

производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная

архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые

позволяют выполнять более, чем одну команду за один период тактовой

частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное

количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой

другой микропроцессор. Кроме существующих наработок программного

обеспечения, высокопроизводительный арифметический блок с плавающей запятой

Pentium процессора обеспечивает увеличение вычислительной мощности до

необходимой для использования недоступных ранее технических и научных

приложений, первоначально предназначенных для платформ рабочих станций.

Многочисленные нововведения - характерная особенность

Pentium процессора в виде уникального сочетания высокой производительности,

совместимости, интеграции данных и наращиваемости. Это включает:

- Суперскалярную архитектуру;

- Раздельное кэширование программного кода и данных;

- Блок предсказания правильного адреса перехода;

- Высокопроизводительный блок вычислений с плавающей запятой;

- Расширенную 64-битовую шину данных;

- Поддержку многопроцессорного режима работы;

- Средства задания размера страницы памяти;

- Средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;

- Управление производительностью;

- Наращиваемость с помощью Intel OverDrive процессора. Cуперскалярная

архитектура Pentium процессора представляет

собой совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную

архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней

производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один

период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает

микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного

вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются

узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет

собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой

архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486 способен выполнять

несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие

семейства процессоров фирмы Intel требовали множество циклов тактовой

частоты для выполнения одной команды.

Возможность выполнять множество команд за один период тактовой

частоты существует благодаря тому, что Pentium процессор имеет два

конвейера, которые могут выполнять две инструкции одновременно. Так же, как

и Intel486 с одним конвейером, двойной конвейер Pentium процессора

выполняет простую команду за пять этапов: предварительная подготовка,

первое декодирование ( декодирование команды ), второе декодирование (

генерация адреса ), выполнение и обратная выгрузка.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с

предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд может

быть выполнено за одно и то же время.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в

Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование

увеличивает производительность посредством активизации места временного

хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из

быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной

памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один 8-

KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования

программного кода и данных.

Проектировщики фирмы Intel обошли это ограничение использованием

дополнительного контура, выполненного на 3.1 миллионах транзисторов Pentium

процессора ( для сравнения, Intel486 содержит 1.2 миллиона транзисторов )

создающих раздельное внутреннее кэширование программного кода и данных. Это

улучшает производительность посредством исключения конфликтов на шине и

делает двойное кэширование доступным чаще, чем это было возможно ранее.

Например, во время фазы предварительной подготовки, используется код

команды, полученный из КЭШа команд. В случае наличия одного блока кэш-

памяти, возможен конфликт между процессом предварительной подготовки

команды и доступом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд

и данных исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам

выполняться одновременно. Кэш-память программного кода и данных Pentium

процессора содержит по 8 KB информации каждая, и каждая организована как

набор двухканального ассоциативного КЭШа - предназначенная для записи

только предварительно просмотренного специфицированного 32-байтного

сегмента, причем быстрее, чем внешний кэш. Все эти особенности расширения

производительности потребовали использования 64-битовой внутренней шины

данных, которая обеспечивает возможность двойного кэширования и

суперскалярной конвейерной обработки одновременно с загрузкой следующих

данных. Кэш данных имеет два интерфейса, по одному для каждого из

конвейеров, что позволяет ему обеспечивать данными две отдельные инструкции

в течение одного машинного цикла. После того, как данные достаются из КЭШа,

они записываются в главную память в режиме обратной записи. Такая техника

кэширования дает лучшую производительность, чем простое кэширование с

непосредственной записью, при котором процессор записывает данные

одновременно в кэш и основную память. Тем не менее, Pentium процессор

способен динамически конфигурироваться для поддержки кэширования с

непосредственной записью.

Таким образом, кэширование данных использует два различных

великолепных решения: кэш с обратной записью и алгоритм, названный MESI

(модификация, исключение, распределение, освобождение) протокол. Кэш с

обратной записью позволяет записывать в кэш без обращения к основной памяти

в отличие от используемого до этого непосредственного простого кэширования.

Эти решения увеличивают производительность посредством использования

преобразованной шины и предупредительного исключения самого узкого места в

системе. В свою очередь MESI-протокол позволяет данным в кэш-памяти и

внешней памяти совпадать - великолепное решение в усовершенствованных

мультипроцессорных системах, где различные процессоры могут использовать

для работы одни и те же данные.

Блок предсказания правильного адреса перехода - это следующее

великолепное решение для вычислений, увеличивающее производительность

посредством полного заполнения конвейеров командами, основанное на

предварительном определении правильного набора команд, которые должны быть

выполнены.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на

более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного

встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает

восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические

функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой

дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть

команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном

целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с

плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие

как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения

вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды

вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX,

оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся

неотъемлемой частью таких усовершенствованных видеоприложений, как CAD и 3D-

графика.

Pentium процессор снаружи представляет собой 32-битовое устройство.

Внешняя шина данных к памяти является 64-битовой, удваивая количество

данных, передаваемых в течение одного шинного цикла. Pentium процессор

поддерживает несколько типов шинных циклов, включая пакетный режим, в

течение которого происходит порция данных из 256 бит в кэш данных и в

течение одного шинного цикла.

Шина данных является главной магистралью, которая передает информацию

между процессором и подсистемой памяти. Благодаря этой 64-битовой шине

данных, Pentium процессор существенно повышает скорость передачи по

сравнению с процессором Intel486 DX - 528 MB/сек для 66 МГц, по сравнению

со 160 MB/сек для 50 МГц процессора Intel486 DX. Эта расширенная шина

данных способствует высокоскоростным вычислениям благодаря поддержке

одновременной подпитки командами и данными процессорного блока

суперскалярных вычислений, благодаря чему достигается еще большая общая

производительность Pentium процессора по сравнению с процессором Intel486

DX.

Давая возможность разработчикам проектировать системы с управлением

энергопотреблением, защитой и другими свойствами, Pentium процессор

поддерживаем режим управления системой (SMM), подобный режиму архитектуры

Intel SL.

Вместе со всем, что сделано нового для 32-битовой микропроцессорной

архитектуры фирмы Intel, Pentium процессор сконструирован для легкой

наращиваемости с использованием архитектуры наращивания фирмы Intel. Эти

нововведения защищают инвестиции пользователей посредством наращивания

производительности, которая помогает поддерживать уровень продуктивности

систем, основанных на архитектуре процессоров фирмы Intel, больше, чем

продолжительность жизни отдельных компонентов. Технология наращивания

делает возможным использовать преимущества большинства процессоров

усовершенствованной технологи в уже существующих системах с помощью простой

инсталляции средства однокристального наращивания производительности.

Например, первое средство наращивания - это OverDrive процессор,

разработанный для процессоров Intel486 SX и Intel486 DX, использующий

технологию простого удвоения тактовой частоты, использованную при

разработке микропроцессоров Intel486 DX2.

Первые модели процессора Pentium работали на частоте 60 и 66 МГц и

общались со своей внешней кэш-памятью второго уровня по 64-битовой шине

данных, работающей на полной скорости процессорного ядра. Hо если скорость

процессора Pentium растет, то системному разработчику все труднее и дороже

обходится его согласование с материнской платой. Поэтому быстрые процессоры

Pentium используют делитель частоты для синхронизации внешней шины с

помощью меньшей частоты. Hапример, у 100 МГц процессора Pentium внешняя

шина работает на 66 МГц, а у 90 МГц - на 60 МГц. Процессор Pentium

использует одну и ту же шину для доступа к основной памяти и к периферийным

подсистемам, таким как схемы PCI.

3.10. Процессор Pentium Pro.

3.10.1. Общее описание процессора.

Pentium Pro это высокотехнологичный процессор шестого поколения для

высокоуровневых десктопов, рабочих станций и мультипроцессорных серверов.

Массовое производство процессора Pentium Pro, содержащего на кристалле

столько транзисторов, сколько никогда не было на серийных процессорах,

сразу в нескольких вариантах стартует с 1 ноября, т.е. с самого момента

объявления. Беспрецедентный случай в истории компании, да и электронной

промышленности.

Hапомним некоторые его особенности. Агрессивная суперконвейерная

схема, поддерживающая исполнение команд в произвольном порядке, условное

исполнение далеко наперед (на 30 команд) и трехпоточная суперскалярная

микроархитектура. Все эти методы могут поразить воображение, но ни один из

них не является чем-то оригинальным: новые чипы NexGen и Cyrix также

используют подобные схемы. Однако, Intel обладает ключевым превосходством.

В процессоры Pentium Pro встроена вторичная кэш-память, соединенная с ЦПУ

отдельной шиной. Эта кэш, выполненная в виде отдельного кристалла

статического ОЗУ емкостью 256К или 512К, смонтированного на втором

посадочном месте необычного двухместного корпуса процессора Pentium Pro,

значительно упростила разработчикам проектирование и конструирование

вычислительных систем на его основе.

Реальная производительность процессора оказалась намного выше 200

единиц, которые назывались в качестве запланированного стартового ориентира

при февральском технологическом анонсировании P6.

Pentium Pro это значительный шаг вперед. И хотя в процессоре Pentium

впервые была реализована суперскалярная форма архитектуры х86, но это была

ограниченная реализация: в нем интегрирована пара целочисленных конвейеров,

которые могут обрабатывать две простые команды параллельно, но в порядке

следования команд в программе и без т.н. условного исполнения (наперед).

Hапротив, новый процессор это трехпоточная суперскалярная машина, которая

способна одновременно отслеживать прохождение пяти команд. Для согласования

с такой высокой пропускной способностью потребовалось резко улучшить схему

кэширования, расширить файл регистров, повысить глубину упреждающей выборки

и условного исполнения команд, усовершенствовать алгоритм предсказания

адресов перехода и реализовать истинную машину данных, обрабатывающую

команды не по порядку, а сразу по мере готовности данных для них. Ясно, что

эта схема нечто большее, чем Pentium, что и подчеркивает, по мнению Intel,

суффикс Pro в имени процессора.

3.10.2. Два кристалла в одном корпусе.

Самая поразительная черта Pentium Pro - тесно связанная с процессором

кэш-память второго уровня (L2), кристалл которой смонтирован на той же

подложке, что и ЦПУ. Именно так, Pentium Pro это два чипа в одном корпусе.

Hа одном чипе размещено собственно ядро процессора, включающее два 8-

Килобайтовых блока кэш-памяти первого уровня; другой чип это 256-Кб СОЗУ,

функционирующее как четырехканальная порядково – ассоциативная кэш второго

уровня.

Два этих кристалла объединены в общем 387-контактном корпусе, но

связаны линиями, не выходящими на внешние контакты. Hекоторые компании

называют такой чип корпуса МСМ (multichip module), однако Intel использует

для него термин dual – cavity PGA (pin – grid array). Разница слишком

неосязаема и лежит, вполне вероятно, в области маркетинга, а не технологии,

так как использование МСМ заработало себе репутацию дорогостоящей

технологии. Но, сравнивая цены на процессоры Pentium и Pentium Pro, можно

утверждать, что новая терминология исправит положение дел, так как P6

претендует на статус массового процессора. Впервые в истории промышленности

многокристальный модуль станет крупносерийным изделием.

Степень интеграции нового процессора также поражает: он содержит 5.5

млн. транзисторов, да еще 15.5 млн. входит в состав кристалла кэш-памяти.

Для сравнения, последняя версия процессора Pentium состоит из 3.3 млн.

транзисторов. Естественно, в это число не включена кэш L2, поскольку

Pentium требует установки внешнего комплекта микросхем статического ОЗУ для

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8