link420 link421 link422 link423 link424 link425 link426 link427 link428 link429 link430 link431 link432 link433 link434 link435 link436 link437 link438 link439 link440 link441 link442 link443 link444 link445 link446 link447 link448 link449 link450 link451 link452 link453 link454 link455 link456 link457 link458 link459 link460 link461 link462 link463 link464 link465 link466 link467 link468 link469 link470 link471 link472 link473 link474 link475 link476 link477 link478 link479 link480 link481 link482 link483 link484 link485 link486 link487 link488 link489 link490 link491 link492 link493 link494 link495 link496 link497 link498 link499 link500 link501 link502 link503 link504 link505 link506 link507 link508 link509 link510 link511 link512 link513 link514 link515 link516 link517 link518 link519 link520 link521 link522 link523 link524 link525 link526 link527 link528 link529 link530 link531 link532 link533 link534 link535 link536 link537 link538 link539 link540 link541 link542 link543 link544 link545 link546 link547 link548 link549 link550 link551 link552 link553 link554 link555 link556 link557 link558 link559

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Процессоры

Развитие процессоров Intel Pentium

Интерфейс Socket 370

Celeron 233-533 МГц (апрель 1998 — январь 2000)
Pentium III 500-1133 МГц (октябрь 1999 — июль 2001)
Celeron II 533-1100 МГц (январь 2000 — июль 2001)
Celeron/Pentium III 1000-1400 МГц (январь 2000 — июль 2001)

В 1998 г. для процессоров Pentium III был разработан интерфейс Socket 370, кристалл устанавливался в пластиковый корпуса PPGA. Важным преимуществом Pentium III стала возможность исполнения расширенного набора инструкций SIMD, оперирующих со специальными 128-битными регистрами. Каждый из них хранит четыре действительных числа одинарной точности. Таким образом, выполняя операцию над двумя регистрами, SSE фактически оперирует четырьмя парами чисел. То есть, благодаря этому процессор может выполнять до четырех операций одновременно. Однако разработчик программы должен использовать специальные команды, а также позаботиться о помещении и извлечении данных из четырех местных регистров, поэтому для использования всех вычислительных мощностей Pentium III необходима целенаправленная оптимизация кода. Таким образом, в Pentium III появился блок, подобный ММХ, но оперирующий действительными числами. Это решение способствовало улучшению производительности процессора в следующих областях:

• трехмерная графика и моделирование, расчет освещенности с использованием вычислений с плавающей точкой;

• обработка сигналов и моделирование процессов с широким диапазоном изменения параметров;

• генерация трехмерных изображений в программах реального времени, не использующих целочисленный код;

• алгоритмы кодирования и декодирования видеосигнала, обрабатывающие данные блоками;

• численные алгоритмы фильтрации, работающие с потоками данных.

С 2000 г. начался выпуск процессоров в корпусах FC-PGA. Последней модификацией Pentium III и Celeron стали процессоры на ядре Tualatin, изготавливаемом по технормам 130 нм. Модель Pentium III-S Tualatin имеет рабочую частоту до 1400 МГц, кэш-память второго уровня объемом 512 Кбайт. Ядро получило блок Data Prefetch, который стал одним из ключевых элементов будущей архитектуры Pentium 4. К сожалению, Pentium III-S потребовал новой модификации интерфейса Socket 370, что исключило возможность апгрейда действующих систем.

От Pentium до Pentium II

Процессор Pentium

Родоначальником обширного семейства под общим названием Pentium (Pentium, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium 4) стал процессор с индексом Р5, оснащенный интерфейсом Socket 4, чье производство началось в 1993 г. В том же году произошел переход на ядро Р54С с интерфейсом Socket 5, позднее — Socket 7. Линейка процессоров собственно Pentium включала модели с рабочими частотами 75-200 МГц. Процессоры производились с использованием различных технологических норм. Модели с частотами 75-120 МГц выполнены по 0,5-микронной технологии, а процессоры с частотами 120-200 МГц — по 0,35-микронной. Ядро Р54С содержит 3,3 миллиона транзисторов, 16 Кбайт кэш-памяти первого уровня. Кэш-память второго уровня объемом до 1024 Кбайт размещалась на системной плате. Процессоры семейства Pentium имеют следующие основные особенности:

• суперскалярная (два конвейера) архитектура;

• динамическое предсказание ветвлений;

• модуль конвейерной обработки операций с плавающей запятой; меньшее время исполнения инструкций;

• раздельная кэш-память для данных и для инструкций (по 8 Кбайт);

• протокол обратной записи в кэш данных;

• 64-битная шина данных;

• конвейер циклов на шине;

• контроль четности адресов;

• внутренняя проверка четности;

• контроль функциональной избыточности;

• контроль исполнения;

• мониторинг производительности;

• режим управления системой (System Management Mode);

• расширение виртуальных режимов;

• интеллектуальное управление потреблением энергии (SL);

• встроенный API (прикладной программный интерфейс).

Процессор Pentium MMX

Процессоры Pentium (ядро Р55С) с технологией MMX (Multi Media extension) стали существенным шагом вперед в семействе Pentium. В основе технологии ММХ лежит метод SIMD (Single Instruction — Multiple Data), который позволяет увеличить производительность широкого набора мультимедийных приложений. Pentium MMX поддерживал 57 новых инструкций и четыре новых 64-разрядных типа данных. Производство Pentium MMX по технормам 280 нм развернулось в 1997 г.

Кэш данных и кэш команд в Pentium MMX имеют объем по 16 Кбайт каждый. Разделение кэша увеличивает производительность, сокращая среднее время доступа к памяти и обеспечивая быстрый доступ к часто используемым инструкциям и данным. Кэш данных поддерживает два обращения одновременно, метод обратной записи (Write—back) или построчной сквозной записи (Writethrough). Динамическое предсказание ветвления использует буфер адреса перехода Branch Target Buffer (BTB), который предсказывает наиболее вероятный набор инструкций для исполнения. Для повышения производительности была добавлена дополнительная стадия конвейерной обработки. Запись в память происходит через область, состоящую из четырех буферов, которые используются совместно двумя конвейерами. Основные характеристики процессора:

• 4,5 миллиона транзисторов;

• кэш-память L2 объемом до 1024 Кбайт на системной плате;

• 64-разрядная шина данных;

• контроль целостности данных;

• встроенный контроллер прерываний микропроцессора;

• контроль производительности и отслеживание исполнения;

• улучшение страничного обмена;

• управление мощностью с помощью SL-технологии;

• суперскалярная архитектура с возможностью параллельного исполнения двух целочисленных инструкций за один такт.

Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU) поддерживает 32- и 64-битные форматы. Это дает возможность исполнения в одном такте двух инструкций с плавающей запятой. Многие инструкции, требовавшие микрокода в процессорах х86, теперь аппаратно встроены в процессор для обеспечения высокой производительности. Контрольные сигналы шины управляют согласованием кэш-памяти в мультипроцессорных системах.

Встроенный контроллер прерываний микропроцессора обеспечивает симметричную многопроцессорную обработку с минимальными затратами. Впервые встроена аппаратная поддержка виртуальных прерываний. Проводится идентификация ядра процессора для получения информации о семействе, модели и характеристиках процессора с помощью команды CPUID. Определение ошибок внутренних устройств и интерфейса шины обеспечивает система защиты контроля четности и Machine Check Exception (MCE). Также обеспечивается аппаратная поддержка для проверки завершения цикла шины.

Процессор Pentium II

Процессор Pentium II на ядре Klamath начали выпускать в 1997 г. по технологическим нормам 350 нм. Ядро размещалось в новом конструктиве — картридже с односторонним контактом (Single Edge Contact — SEC), насчитывающим 242 контакта. Высокая интеграция данных и надежность обеспечивались шиной памяти и системной шиной с поддержкой ЕСС, механизмом анализа отказов, функцией восстановления и проверкой функциональной избыточности. Кэш-память второго уровня объемом 512 Кбайт располагалась на плате процессора и работала на половинной частоте.

В 1998 г. начался выпуск Pentium II на ядре Deschutes по технормам 250 нм. Семейство процессоров Intel Pentium II включало модели с тактовыми частотами 233-450 МГц. Существенное увеличение производительности процессоров Pentium II по сравнению с предыдущими процессорами архитектуры Intel основано на сочетании технологии Pentium Pro с поддержкой новых инструкций ММХ. Укажем некоторые особенности архитектуры Pentium II:

• число транзисторов 7,5 миллионов;

• множественное предсказание ветвлений, предугадываются несколько направлений ветвлений программы;

• анализ потока данных. В результате анализа зависимости инструкций друг от друга процессор разрабатывает оптимизированный график их выполнения;

• спекулятивное исполнение. Процессор исполняет инструкции в соответствии с оптимизированным графиком загрузки блоков АЛУ;

• полная поддержка технологии ММХ.

Архитектура двойной независимой шины (системная шина и шина кэша) обеспечивает повышение пропускной способности и производительности, а также масштабируемость при использовании более одного процессора. Системная шина поддерживает множественные транзакции, что повышает пропускную способность. Производительность повышается и за счет использования выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Процессор имеет раздельный кэш первого уровня (16 + 16 Кбайт). Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU) поддерживает 32- и 64-разрядные форматы данных, а также формат 80 бит. Контроль четности сигналов адресации запроса и ответа системной шиныс возможностью повторения обеспечивает высокую надежность и интеграцию данных.

Технология ЕСС (Error Correction Code) позволяет корректировать однобитные и выявлять двухбитные ошибки системной шины. Встроенный Self Test (BIST) обеспечивает те же функции, что и в Pentium ММХ. Встроенные счетчики производительности обеспечивают управление производительностью и подсчет событий.

В результате целенаправленной политики Intel по разделению секторов рынка персональных компьютеров в 1998 г. появились процессоры Celeron, основанные на архитектуре Pentium II. Первые модификации (с ядром Covington) не имели кэш-памяти второго уровня, поэтому отставали в производительности от Pentium II, но отличались прекрасной разгоняемостью. Процессоры Celeron с ядром Mendocino получили кэшпамять второго уровня объемом 128 Кбайт. В 1999 г. на смену процессору Pentium II (Deschutes) пришел Pentium III на новом ядре Katmai, которое получило блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширенный набор команд ММХ и усовершенствованный механизм потокового доступа к памяти. Процессор насчитывал 9,5 миллионов транзисторов и выпускался по технормам 250 нм с интерфейсом Slot 1. Кэш второго уровня, размещенный в ядре, имел объем 512 Кбайт.



Интерфейс Socket 423

Pentium 4 1300-2000 МГц (ноябрь 2000 — август 2001)

Процессор Pentium 4 на ядре Willamette имел
новую архитектуру, основанную на техноло-
гии NetBurst, ставшую логическим развитием
архитектуры Pentium III-S на ядре Tualatin.
Важным достоинством архитектуры Pentium 4
стал механизм термоконтроля, автоматиче-
ски снижавший рабочую частоту, если темпе-
ратура ядра превышала заданный порог.
В ядро Willamette впервые внедрена поддерж-
ка расширенного набора мультимедийных
инструкций SSE2. Вместе с тем, интерфейс
Socket 423 оказался не очень технологичным, и компания Intel была вы-
нуждена отказаться от его использования.



Интерфейс Socket 478

Pentium 4 1300-2800 МГц (июль 2001 — март 2004)
Celeron 1700-2930 МГц (июль 2001 — октябрь 2004)
Pentium 4 ЕЕ 3200-3400 МГц (сентябрь 2003 — март 2004)

Интерфейс Socket 478 был внедрен одновремен-
но с переходом процессоров Pentium 4 на ядро
Northwood, оснащенное кэш-памятью второго
уровня объемом 512 Кбайт. Платформа комплек-
товалась чипсетами, поддерживающими один из
трех видов оперативной памяти: Rambus DRAM
(RDRAM), SDRAM, DDR SDRAM. С упорством,
достойным лучшего применения, Intel поддер-
живала дорогую память RDRAM в ущерб более дешевой DDR SDRAM,
что вызвало недовольство как производителей системных плат, так и
пользователей. И только под давлением партнеров и потребителей был
выпущен чипсет 845D, поддерживающий DDR SDRAM.

Длинный конвейер Pentium 4 позволил постоянно наращивать рабочие частоты процессора и частоту системной шины. Частота процессора с ядром Northwood выросла до 3400 МГц, а частота системной шины — до 800 МГц. Модификация Celeron отличается от Pentium 4 урезанным вдвое объемом кэша L2 и ограниченной 400 МГц частотой системной шины.

Интерфейс Socket 775

Pentium 4 2666-3800 МГц (с июня 2004)
Celeron D 2533-3200 МГц (с июня 2004)
Pentium 4 ЕЕ 3460-3730 МГц (с июня 2004)

Следующим крупным шагом компании Intel по совершенствованию тех-
нологии стал перевод всех процессоров для настольных систем на интер-
фейс Socket 775 LGA (Land Grid Array). Несколько ранее была внедрена
усовершенствованная архитектура ядра Prescott (технормы 90 нм). Ядро
отличается удлиненным исполнительным
конвейером, увеличенным до 1024 Кбайт
объемом кэша L2, поддержкой набора ин-
струкций SSE3. При этом тепловая мощ-
ность процессора Pentium 4 на ядре Prescott
с частотой 3,8 ГГц достигла 125 Вт.
Процессоры семейства Celeron D обяза-
ны своим появлением внедрению технорм
90 нм. Соответственно политике компании
Intel, бюджетная модификация получила вдвое урезанный кэш (то есть 256 Кбайт) и ограниченную до 533 МГц частоту системной шины.

Переход на новый интерфейс ознаменовался знаменательным событием: компания Intel отказалась от маркировки процессоров по рабочей частоте и по примеру компании AMD ввела маркировку по рейтингу (процессорному номеру).

Особое место в семействе Pentium 4 занимают процессоры с маркировкой Extreme Edition {ЕЕ). Они построены на совершенно ином ядре Gallatin (технормы 130 нм). Основное отличие Pentium 4 ЕЕ заключается в наличии кэш-памяти третьего уровня объемом 2 Мбайт и увеличенной до 1066 МГц частоте системной шины.