Микропроцессоры Pentium Pro

В сентябре 1995 года были выпущены МП шестого поколения 80686 (Р6), торго-вая марка Pentium Pro. Микропроцессор состоит из двух кристаллов: собственно МП и кэш-памяти. Но он не полностью совместим с просто Pentium и, в частно-сти, требует специальную системную плату. Pentium Pro прекрасно работает с 32-битовыми приложениями, а в 16-битовых иногда даже несколько проигрыва-ет просто Pentium. Новые схемотехнические решения обеспечивают для ПК бо-лее высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение» (dynamic execution), что, в первую оче-редь, означает наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (super-pipelining), предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution).

В программах решения многих задач, особенно экономических, содержится боль-шое число условных передач управления. Если процессор может заранее пред-сказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейе-ров. Тем не менее следует сказать, что если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и за-грузить нужные команды заново, что требует довольно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90 % против 80 % у МП Pentium.

Кэш-память емкостью 256-512 Кбайт -- обязательный атрибут высокопроизво-дительных систем на базе процессоров Pentium. Однако у них встроенная кэш-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2-5 раз ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pen-tium Pro есть и кэш-память 1-го уровня (по 8 Кбайт для команд и данных), и кристалл кэш-памяти 2-го уровня емкостью 256 или 512 Кбайт, расположен-ный тоже на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней часто-те МП.

Микропроцессоры Pentium ММХ и Pentium II

В 1997 году появились модернизированные для работы в мультимедийной тех-нологии микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, получившие торговые марки, соответственно, Pentium ММХ (ММХ -- MultiMedia eXtention) и Pentium П. МП Pentium ММХ содержит дополнительные 57 команд, ориентированные на обработку аудио- и видеоинформации, увеличенную вдвое (до 32 Кбайт) кэш-память, дополнительные восемь 64-битовых регистров, новый блок предсказа-ния ветвлений, заимствованный у МП Pentium Pro, и т. д. Вследствие этого у него на 1 миллион транзисторных элементов больше, чем у МП Pentium.

Для эффективного использования этих микропроцессоров во все старые программы (в том числе и в операционные системы Windows 95, Windows NT) необ-ходимо включить согласующие программные фрагменты; правда и без них МП Pentium ММХ несколько производительнее просто МП Pentium. При выполнении обычных приложений Pentium ММХ на 10-15 % быстрее Pentium, а при ра-боте мультимедийных приложений с использованием новых 57 команд он уже эффективнее на 30 % (для сравнения: МП Pentium Pro опережает МП Pentium при выполнении обычных приложений примерно на 20 %). Программы, напи-санные с учетом специфики Pentium ММХ, не будут работать на ПК с обычным МП Pentium. Для МП Pentium ММХ требуется системная плата с разъемом Socket 7, с новым BIOS, поддерживающим ММХ, и с двумя напряжениями пи-тания (3,5 и 2,8 В).

МП Pentium II имеет иную конструкцию, нежели чем все остальные МП, в част-ности, он выполнен в виде небольшой платы-картриджа (корпус SECC), на ко-торой размещены сам процессор (содержащий 7,5 млн транзисторов против 5,5 млн в МП Pentium Pro) и четыре микросхемы кэш-памяти 2-го уровня, общим объе-мом 512 Кбайт. Кэш-память 1-го уровня, находящаяся в микросхеме самого про-цессора, имеет емкость 32 Кбайта, против 16 Кбайт, имевшихся в МП Pen-tium Pro, но кэш-память 2-го уровня работает не на внутренней частоте МП, а на вдвое меньшей частоте.

Важным отличием Pentium II является архитектура двойной независимой шины (первые варианты введения такой шины были уже у МП Pentium Pro). Процессор обменивается данными с кэшем L2 по специализированной высокоскоростной шине (иногда называемой backside -- задней), отделенной от системной шины (frontside -- передней). Системная шина работает на частоте материнской платы, и это существенно снижает эффективное быстродействие компьютера. Наличие же backside-шины ускоряет обмен с кэш-памятью.

МП Pentium II поддерживает двухпроцессорную конфигурацию ПК. В МП Pen-tium Pro и Pentium II появилась качественно новая перспектива: начали вне-дряться так называемые SIMD-инструкции (Single Instruction Multiply Data -- сравните со структурами многопроцессорных систем), в которых одно и то же действие совершается над многими данными (эта технология получит развитие в следующих моделях МП). МП производится на основе технологии 0,35 мкм и использует напряжение питания 2,8 В. Для него, естественно, требуется иная системная плата, чем для всех других Pentium. Микропроцессоры Pentium II име-ют много модификаций: Klamath, Deschutes, Katmai, Tanga; МП средней группы Celeron -- Covington, Mendocino, Dixon.

Для более дешевых компьютеров был предложен облегченный вариант процес-сора, названный Celeron. Первые процессоры Celeron имели частоты 266 и 300 МГц. Вторичный кэш исключили, что заметно отразилось на производитель-ности ПК (системные платы с разъемом Slot 1 вторичного кэша не имеют), и ПК на их основе оказались малоэффективными. Тогда были выпущены процессоры Celeron А, которые имеют небольшой (128 Кбайт) вторичный кэш, установлен-ный на плате МП и работающий уже на полной частоте МП. Эти процессоры, известные также под названием Mendocino, стали очень популярными.

Кроме широко известных особенностей вторичного кэша (либо его нет, либо 128 Кбайт), процессор Celeron имеет следующие отличия от Pentium II:

разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 бит (адресуемая память --4 Гбайт);

несколько ослаблены процедуры контроля достоверности преобразования информации;

Celeron предназначен только для однопроцессорных конфигураций.

Процессоры Celeron А являются самыми популярными из недорогих компьюте-ров и в настоящее время. Большинство МП Pentium II, в том числе и Celeron A, поддерживают частоту шины системной платы 100, 133 МГц и более (предыду-щие модели -- только 66 МГц).

Микропроцессоры Pentium III

Появившиеся в 1999 году процессоры Pentium HI (Coppermine) являются даль-нейшим развитием Pentium II. Их главным отличием является основанное на новом блоке 128-разрядных регистров расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой -- SSE (Streaming SIMD Extensions). По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти про-цессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II.

Кэш 2-го уровня у МП Pentium III имеет размер 256 Кбайт, работает на полной частоте МП и обслуживается быстродействующей backside-шиной, что во много раз ускоряет как работу с кэшем, так и производительность ПК в целом. МП Pentium III предназначены для работы с материнскими платами, имеющими чип-сеты (набор микросхем, связывающих процессор с остальной системой) Intel: 440BX, 440ZX, 440GX, 810, 815, 820, 840 и более новые; поддерживают частоту шины материнской платы 100, 133, 150 МГц и выше. «Простые» Pentium III устанавли-ваются в Slot I, Pentium III Xeon -- в Slot 2. Процессоры Pentium HI Xeon (и по-следующие модели Tanner, Cascades) являются продолжением линии МП Pen-tium Pro и отличаются увеличенным кэшем 2-го уровня (512, 1024 и 2048 Кбайт), работающим на полной частоте МП.

Микропроцессоры Pentium 4

Модификация МП Pentium -- Pentium 4 -- предназначена для высокопроизво-дительных компьютеров, в первую очередь серверов, рабочих станций класса high-end и мультимедийных игровых ПК. Рассмотрим основные особенности Pentium 4.

Добавлены 144 новые потоковые инструкции, расширяющие набор SIMD-инст-рукций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой -- SSE (Streaming SIMD Extensions). Модуль вычислений с плавающей запятой и пото-ковый модуль оптимизированы для работы с аудио- и видеопотоками, в том чис-ле ЗО-технологиями.

Имеется кэш 2-го уровня размером 256 Кбайт; он работает на полной частоте МП, использует встроенную программу коррекции ошибок и обслуживается бы-стродействующей с разрядностью 256 бит (32 байт) шиной, работающей на час-тоте МП. Это для Pentium 4 с частотой 1500 МГц, например, обеспечивает ско-рость обмена с кэшем 48 Гбайт/с.

Есть возможность работы с системной шиной с эквивалентной частотой 400 МГц (Quard-Pumped Bus no 100 МГц), что обеспечивает скорость обмена 3,2 Гбайт/с.

Вновь улучшена система «динамического исполнения» (dynamic execution), что, в первую очередь, связано с наличием 20-ступенной (у МП Pentium III конвейер имел 10 ступеней) суперконвейерной структуры (superpipelining), лучшего пред-сказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и параллельного «по предположению» (опережающего, спекулятив-ного) исполнения команд по нескольким предполагаемым путям ветвления (spe-culative execution). Поясним это. Динамическое исполнение позволяет процес-сору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение про-граммы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в про-цессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций, независимо от порядка их следования в тексте программы. И наконец, опере-жающее выполнение повышает скорость работы программы за счет выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой по-следовательности -- то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, резуль-таты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалением тех, кото-рые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструк-ций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального.

Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битовых конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер. Суть в том, что при длинном конвейере в задачах с частыми условными переходами его эффективность снижается. Два параллельных конвейера снижение эффек-тивности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или несколь-ких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) испол-няется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 так-тов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выпол-нены за такт.

Новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine) использует два быстрых, работающих на удвоенной частоте, процессора АЛУ, выполняю-щие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье, мед-ленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.).

Процессор имеет площадь кристалла 217 мм2, потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 млн транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать вы-сокоэффективную ММХ-систему, но для этого необходимо наличие:

? программного обеспечения, ориентированного на использование дополни-тельных команд этого процессора;

? системной платы с чипсетами, поддерживающими данные микропроцессоры.

В 2002-2004 годах корпорация Intel представила:

семейство МП Pentium III Tualatin на основе технологии 0,13 мкм с улуч-шенными по сравнению с Coppermine характеристиками (тактовые частоты до 1266 МГц, кэш-память L2 емкостью до 512 Кбайт, работающая на частоте микропроцессора, с поддержкой частоты системной шины (FSB) до 133 МГц).

Выпускаются МП трех видов: для портативных и настольных компьютеров и для серверов;

МП Celeron с тактовыми частотами 2,3 и 2,4 ГГц, изготовленными по технологии 0,13 мкм и поддерживающими тактовую частоту шины 400 МГц;

? семейство нового поколения МП Pentium 4E -- ядро Prescott под процес-сорный разъем LGA7751: Pentium 4Е 5202 2,8 ГГц, Pentium 4E 530 3 ГГц, Pentium 4E 540 3,2 ГГц, Pentium 4E 550 3,4 ГГц, Pentium 4E 560 3,6 ГГц.

Страницы: 1, 2, 3