Процессоры персональных компьютеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Процессоры персональных компьютеров отвечают единому стандарту, который задан фирмой Intel, мировым лидером в производстве процессоров для ПК. В старых компьютерах вы можете найти процессоры типов PentiumII, Pentium III, в новейших - Pentium 4. Фирма AMD выпускает процессоры, в общем аналогичные интеловским, но называются они немного иначе: K6 (пентиум второй), К7 или Athlon (пентиум третий). И приходится скромной AMD предугадывать будущее индустрии, иногда опережая Intel с ее полумиллиардными доходами. Предсказуемо появление новых идей у отстающей компании -- для нее это способ выжить. Но неожиданно то, что иногда эти идеи принимает на вооружение и Intel. Мы сейчас вели речь о так называемых IBM-совместимых персональных компьютерах. На нашем рынке, как, впрочем, и в мире, их подавляющее большинство. В расчёте именно на этот стандарт пишутся игры, программы и прочее. Но есть ещё стандарт фирмы Apple для персональных компьютеров Macintosh. «Маки» оснащены, как на войну, - в них сразу же в стандартном комплекте, есть и звуковая приставка с микрофоном и динамики, и модем для подключения к сети, и ещё кое-какие вещи, которые в IBM-совместимых PC надо покупать отдельно. Это мощные и простые в эксплуатации машины, порой (как, например, в настольных издательских системах) незаменимые. Однако у нас в России (да и во всём мире) их гораздо меньше, чем PC, и они заметно дороже.

В основе любой ПЭВМ лежит использование микропроцессоров. Он является одним из самых важнейших устройств в компьютере, которым привычно характеризуют уровень производительности ПК. Микропроцессор является "мозгом" и "сердцем" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Когда выбирают себе компьютер, первым делом выбирают себе микропроцессор, который будет соответствовать требованиям, тех или иных людей. От процессора зависит, как быстро будут запускаться программы, и даже насколько быстро будет происходить процесс архивации данных в WinRAR, я уже и не говорю о создании трёхмерной анимации в 3D MAX Studio. Из всего выше сказанного, я считаю, что моя тема очень актуальна и значима на сегодняшний день.

Цель моей работы состоит в том, чтобы узнать побольше о функциях и строении микропроцессора, проследить процессорную эволюцию трёх самых крупных и известных компаний: Intel, AMD и Apple. А также провести тестирование нескольких самых популярных, на сегодняшний день, процессоров и выявить явного лидера среди них. Четвёртой целью является, то, чтобы каждый прочитавший эту работу смог выбрать процессор, который будет целиком отвечать его повседневным требованиям.

микропроцессор программный логический компьютер

1. Определение микропроцессора

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода -- вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

1.1 Функции и строение микропроцессора

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора.

Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.

Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор -- регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

счетчик команд -- регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

регистр команд -- регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные -- для хранения кодов адресов операндов.

1.2 Эволюция процессоров

Изобретение транзистора

Технологический процесс производства микропроцессоров неразрывно связан с эволюцией и постоянным усовершенствованием транзистора. Транзистор, изобретённый в 1948 году в лабораториях корпорации Bell, позволил создавать компьютер из малоразмерных электронных схем, созданных на печатных платах. Революционная роль транзистора в его малых размерах. Объединение большого числа таких транзисторов на текстолитовой плате позволило создавать отдельные узлы, и даже целые устройства. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения. Но ведь с точки зрения технологического процесса нет особой разницы, делать ли один транзистор на подложке или сразу много. Изготовив достаточное количество транзисторов на одной подложке, остается один шаг до превращения нескольких транзисторов в интегральную микросхему - соединить определённым образом полученные транзисторы. И такой революционный шаг был сделан спустя ровно 10 лет после изобретения транзистора. Первая настоящая интегральная схема была выпущена в 1958 году компанией Texas Instruments. Интегральные микросхемы постепенно стали составной частью практически любого радиоэлектронного устройства, в том числе и ЭВМ. Компьютеры стали применяться не только для научных расчетов, но и в бизнесе. Но это всё же ещё были очень громоздкие и дорогие устройства.

1.2.1 Intel Corporation

Все, кто когда-либо сталкивался с понятием персональный компьютер, так или иначе, наслышаны о таком гиганте компьютерной индустрии как Intel Corporation. Сейчас Intel - это не только передовая корпорация, выпускающая микропроцессорное оборудование для построения компьютерных систем. Спектр выпускаемого оборудования и комплектующих Intel растет с каждым годом, а корпорация уверенно утверждается на все новых и новых позициях на рынке компьютерных технологий.

Корпорация Intel была основана в середине июня 1968 г. Робертом Нойсом и Гордоном Муром. Практически, сразу после основания компании к ним присоединился нынешний председатель совета директоров - Эндрю Гроув. В 1974 г. в корпорацию пришел ее будущий президент и главный управляющий Крейг Барретт и уже с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников, превысившим 64 тысячи, и годовым доходом свыше 25 миллиардов долларов.

Первоначальная коммерческая и промышленная задача была сформулирована в 1968 г., как создание рынка запоминающих устройств для вычислительных машин на базе кремниевых кристаллов. Уже в то время стало очевидно, что запоминающие устройства на кремниевой основе являются перспективными технологиями, которые в будущем будут основой развития вычислительной техники и технологии компьютерных устройств. Дело в том, что тогда кремниевая память стоила в сотни раз дороже магнитных носителей, которые занимали основную часть рынка запоминающих устройств. Поэтому Intel, в то время, надо было продвигать новые конструктивные реализации памяти и микропрограммные вычислительные устройства, которые стали бы для разработчиков вычислительной техники недорогой и мощной альтернативой магнитным носителям. Однако время шло и компания начала развитие смежных технологий. Очень скоро специалистам Intel стало ясно, что компьютерная индустрия ожидает не просто отдельных комплектующих, но современного высокопроизводительного решения на уровне проекта архитектуры вычислительной машины, включающего, прежде всего микропроцессорное вычислительное устройство, запоминающие устройства и контроллеры периферийных компонентов. Такой проект был создан.

Intel 4004

Спустя 11 лет после выпуска первой интегральной микросхемы произошла очередная революция: появился микропроцессор. В 1969 году на только что созданную Intel поступил заказ от японской компании Busicom на разработку 12 специализированных микросхем для бухгалтерского калькулятора. Вместо этих микросхем инженеры Intel во главе с Гордоном Муром и Робертом Нойсом разработали микропроцессор общего назначения, предназначенный для применения в калькуляторах. Это был однокристальный микропроцессор, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Процессор Intel 4004 стал технологическим триумфом корпорации: устройство размером с палец, стоило 200 долларов, и было сравнимо по своей вычислительной мощи с первой ЭВМ ENIAC, созданной в 1946 г., и занимавшей пространство объемом в 85 куб. метров. Новая технология, практически сразу, легла в основу создания программируемых калькуляторов с огромным, по тем временам (от 4-х до 64-х килобайт) объемом оперативной памяти, способных обрабатывать массивы данных.

Intel i8008 и i8080

Следующий процессор - восьмиразрядный i8008 (1972 год) - был быстрее предшественника в два раза. i8008 послужил основой для прототипа процессора персональных компьютеров. В 1974 году был создан i8080 - первый "классический" процессор. Его появление имело большое значение, которое трудно переоценить. i8080 являлся основой первого в мире персонального компьютера Altair. Все процессоры х86 - это дальние потомки i8080. Несмотря на свое огромное значение и большой объем продаж, на рынке этот процессор потеснил более удачный Zilog-80, который, в свою очередь, был обязан такой популярностью i8080. Процессор Z-80 создала группа инженеров, ранее работавших в Intel и участвовавших в разработке i8080.

С появлением микропроцессоров эволюция транзисторов, из которых, собственно, и состоит любая микросхема, не остановилась. Продолжалась борьба за частоту исходных кремниевых пластин. Более точно дозируемым становится процесс внесения легирующих примесей. Это позволяет постоянно улучшать частотные свойства транзисторов. Но настоящая битва развернулась на фронте улучшения разрешающей способности процесса фотолитографии, лежащего в основе производства микросхем. Это так называемая «технологическая норма» технологического процесса. Она определяет минимальный размер элементов, которые могут быть сформированы на пластине. Когда говорят, например, о технологии 0,18 мкм, то подразумевают именно значение нормы технологического процесса 0,18 мкм.

Intel i8086 и i8088

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором i8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что дало возможность увеличить производительность в 10 раз по сравнению с i8080. Кроме того, размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен - до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1МB оперативной памяти. Как прямой потомок i8080, i8086 унаследовал большую часть множества его команд. Регистры этого процессора были разработаны таким образом, что они могли обрабатывать как 16-ти битные значения, так и 8-ми битные - также как это делал i8080. Память i8086 была также доработана специальным образом. Весь мегабайт оперативной памяти не представлялся единым полем, а был разделен на 16 сегментов величиной по 64Кб. В некотором смысле i8086 опередил свое время. Малые компьютеры основывались на 8-ми битной архитектуре, память была очень дорога, требовались дополнительные 16-ти битные микросхемы. Использование этого процессора предполагалось в 16-ти битных устройствах, которые не оправдывали свою цену в то время.

Через год после презентации i8086, Intel объявил о разработке микропроцессора i8088 (1979 год). Он являлся очень похожим на i8086: 16-битные регистры, 20 адресных линий, тот же набор команд - все то же, за исключением одного, - шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло полностью использовать широко распространенные в то время 8-битные элементы технического обеспечения.

Процессор i8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм2. Для сравнения, процессор Pentium 4 1.7 ГГц состоит из 42 млн. транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 мм2. Матрица процессора Рentium 4 имеет в 1400 раз больше транзисторов, чем у процессора 8088, однако площадь поверхности его ядра только в 7 раз больше размера ядра 8088!

i8088 мог потеряться в истории, как это было с i8085, не реши IBM реализовать свой первый персональный компьютер на его базе. Выбор IBM был объясним. Восьми битная шина данных позволяла использовать имеющиеся на рынке микросхемы. Шестнадцати битная внутренняя структура давала важные преимущества по сравнению с существующими микропроцессорами.

Итак, i8088 явился базой для разработки семейства малых компьютеров. Он подготовил почву для быстрого создания совместимых настольных компьютеров. Потенциально i8086 был в два раза производительней, и почти полностью совместим с i8088. Микропроцессоры i8088 и i8086 совместимы, но не взаимозаменяемы. Восемь дополнительных бит данных требовали 8-ми дополнительных проводов. Таким образом, подключение этих двух микросхем было различным. Компьютер разрабатывался либо под один микропроцессор, либо под другой.

По мере развития компьютерной индустрии, рынком была проведена оптимизация разделения функций между устройствами. И каждое устройство развивалось в направлении реализации своих функций. Intel продолжал совершенствовать свои микропроцессоры. В 1982 году был представлен микропроцессор i80186. Этот чип стал базовым для создания целого ряда совместимых компьютеров и реализации турборежима. Также был создан микропроцессор i80188 - приемник i8088.

Intel i286, i386 и i486

В 80-х годах Intel открыла эру высокопроизводительного настольного компьютерного оборудования. В 1982 г. вышел современнейший, по тем временам, микропроцессор i286, который уже тогда, кроме неслыханной производительности, имел, в зачаточном виде, возможности по обеспечению многозадачного режима и защищенного режима (Protected Mode). Также он поддерживал обращение к расширяемой (EMS) памяти, объемом до 8 MB. В 1985 г. появился микропроцессор i386. Процессор i386 имел не только завершенную систему поддержки многозадачного режима, механизм защиты сегментов, но и мог оперировать оперативной памятью объемом до 64MB.

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением является то, что при уменьшении нормы технологического процесса можно значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров (очередная революция) стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн. транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Он был в 1500 раза быстрее своего "прапрадедушки" i4004. В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере. На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1, которые до этого располагались в отдельных микросхемах. Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года. 486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

Intel Pentium

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами.

Однако 90-е годы стали переломным моментом в политике корпорации. Дело в том, что дальнейшее наращивание производительности с темпами, достигнутыми ранее, и таким же снижением стоимости стало невозможно. Был достигнут предел технологического оборудования и самой технологии серии 80х86. На горизонте уже маячили разработки новой серии Intel Pentium. Однако технологические достижения данной технологии позволили снизить стоимость процессоров лишь в последние годы, а в то время Intel потребовалась серьезная и грандиозная рекламная компания, которая, к слову сказать, была успешно проведена, чтобы оставить завоеванные пространства рынка за собой, и занять новые рубежи. Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс - 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Процессор Pentium со своей конвейерной и суперскалярной архитектурой достиг впечатляющего уровня производительности.

Основные особенности процессора: ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты. Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этой проблемы, на кристалле расположили специальный буфер, Branch Target Buffer, с помощью которого реализовали механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление, в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника - i486. Производительность, выпущенного в марте 1993 года процессора Pentium в пять раз превысила показатель такового i486, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени. Уже первые модели процессоров Pentium были настолько совершенны (для своего времени), что во многих приложениях производительность компьютера определялась не скоростью вычислений, а скоростью обмена данными процессора с кэш-памятью второго уровня (L2). Ведь обмен данными осуществлялся по общей системной шине, как и в процессорах i486. Конечно, этот недостаток был известен, но при технологии 0,8 мкм расположить кэш-память второго уровня на одном кристалле с процессором было невозможно.

Intel Pentium Pro

Первая попытка расположить кэш второго уровня, если не на одном кристалле, то хотя бы рядом с ядром процессора, была реализована в процессоре Pentium Pro. Выпущенный в 1995 году, процессор Intel Pentium Pro стал первым CPU с архитектурой P6. Этот процессор появился, когда технология достигла уровня 0,5 мкм. Главное преимущество и уникальная особенность Р6 - размещенная в одном корпусе с процессором вторичная статическая кэш-память размером 256 кб, соединенная с процессором специально выделенной шиной. Первая причина объединения процессора и вторичного кэша в одном корпусе - облегчение проектирования и производства высокопроизводительных систем на базе Р6. В Р6 вторичный кэш уже настроен на процессор оптимальным образом, что облегчает проектирование материнской платы. Вторая причина объединения - повышение производительности. Кэш второго уровня связан с процессором специально выделенной шиной шириной 64 бита и работает на той же тактовой частоте, что и процессор. Объединение процессора и вторичного кэша в одном корпусе и их связь через выделенную шину является шагом по направлению к методам повышения производительности.

Кристалл ЦПУ Pentium Pro содержит 5,5 миллионов транзисторов; кристалл кэш-памяти второго уровня - 15,5 миллионов. Для сравнения, последняя модель Pentium включала около 3,3 миллиона транзисторов, а кэш-память второго уровня реализовывалась с помощью внешнего набора кристаллов памяти. Хотя число транзисторов на кристалле с вторичным кэшем втрое больше, чем на кристалле процессора, физические размеры кэша меньше: 202 квадратных миллиметра против 306 у процессора. Оба кристалла вместе заключены в керамический корпус.

В процессоре Pentium Pro было впервые реализовано:

Архитектура двойной независимой шины;

Динамическое исполнение;

Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14;

Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.

Особенности архитектуры двойной независимой шины

Архитектура двойной независимой шины, снимающая многие проблемы пропускной способности современных компьютерных платформ, была разработана фирмой Intel для удовлетворения запросов современных прикладных программ, а также для обеспечения возможности дальнейшего развития новых поколений процессоров. Наличие двух независимых шин дает возможность процессору получать доступ к данным, передающимся по любой из шин одновременно и параллельно, в отличие от последовательного механизма, характерного для систем с одной шиной.

Особенности динамического обновления

Всё началось с того, что конкуренты Intel предлагали альтернативные решения, при которых требуется минимальное число новых инструкций или вообще не требуется переработка компиляторов, а повышение производительности процессоров и скорости выполнения программ и вычислений достигается за счет внутренней оптимизации процессорного ядра. Так, технология 3D Now компании AMD позволяет производить две операции с плавающей точкой вместо одной у Pentium, а число новых инструкций около 30, при относительно равной стоимости. Дальнейшее увеличение числа инструкций при каждом введении новых технологий обработки данных могло привести Intel к тому, что микропроцессоры стали бы перегруженными объемом поддерживаемых инструкций. Компилирующие системы для них (например от Microsoft) - станут еще тяжелее и неповоротливее, а все нарастающая тактовая частота и производительность процессора будет "съедаться" непомерно большими программными продуктами. Так что КПД нововведений может оказаться невысоким. Для этого и было реализовано Динамическое исполнение.

Динамическое Исполнение представляет собой комбинацию трех технологий обработки данных, обеспечивающих более эффективную работу процессора - множественное предсказание ветвлений, анализ потока данных и спекулятивное исполнение. Динамическое исполнение обеспечивает более эффективную работу процессора, позволяя манипулировать данными, а не просто исполнять последовательный список инструкций. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок инструкций при помощи технологии Множественного Предсказания Ветвлений, которая предсказывает прохождение программы по нескольким ветвям. Процессор может предвидеть разделение потока инструкций, что дает возможность с 90% точностью предсказать, в какой области памяти можно найти следующие инструкции. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции, процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология Анализа потока данных позволяет проанализировать код и составить график, т.е. новую оптимальную последовательность исполнения инструкций, независимо от порядка их следования в тексте программы. И, наконец, Спекулятивное выполнение повышает скорость, за счет выполнения до 5 инструкций одновременно, по мере их поступления в оптимизированной последовательности - т.е. спекулятивно. Это обеспечивает максимальную загруженность процессора и увеличивает скорость исполнения программы.

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.

Intel Pentium MMX

Выпуск процессора Pentium MMX (Multimedia Extension) оказался следующим большим шагом вперед. В процессоре впервые был реализован новый набор из 57 команд MMX. Произошло это 8 января 1997 года. С развитием технологии процессоры стали выпускать по 0,35-микронной технологии. В процессорах Pentium MMX была впервые реализована групповая обработка нескольких целочисленных операндов разрядностью 1, 2, 4 или 8 байт с помощью одной команды. Такая обработка обеспечивается введением дополнительного блока MMX (MiltiMedia Extension -- Мультимедийное Расширение). Это особая разновидность процессора, в которой предусмотрены дополнительные команды для обработки звука, изображений и видео. Изменилось напряжение питания (уменьшилось до 2,8 вольта), соответственно, потребовались изменения в конструкциях системных плат - оказалась необходимой установка дополнительного стабилизатора напряжения.

Технология Intel MMX

Технология Intel MMX является крупнейшим достижением Intel в области архитектуры микропроцессоров. Она улучшает компрессию-декомпрессию видео, работу с изображениями, шифрование и обработку сигналов ввода-вывода, т.е. все мультимедиа операции, операции связи и сетевые взаимодействия. Основа MMX расширения процессорного ядра заключается в технологии обработки множественных данных в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data - SIMD).

Процесс SIMD (один поток команд и множество потоков данных) дает возможность одной инструкции исполнять одну и ту же функцию с различными данными и их частями. SIMD позволяет чипу уменьшить количество циклов с интенсивными вычислениями, характерными для обработки видео, аудио, графической информации и анимации. Эта технология, на данном этапе, предусматривает включение 57-ми новых инструкций, разработанных специально для более эффективной работы с видео, звуком и графикой.

Intel Pentium II

Микропроцессор Intel Pentium II был выпущен в 1998 году. Правда, кэш второго уровня в нём, так и осталась в виде отдельной микросхемы. Более того, кэш работала на частоте в два раза меньшей, чем ядро процессора. Тем не менее, это был серьёзный шаг в повышении производительности, и к тому же цена процессора оказалась доступной для большинства покупателей. Процессор Pentium II явился закономерным продолжением и развитием технологии Pentium с ее современными дополнениями и изменениями. Pentium II использует новую высокопроизводительную архитектуру двойной независимой шины, позволяющую существенно увеличить пропускную способность и привести скорость шины в соответствие с мощностью процессора. Выделенная кэш-память второго уровня 512 KB, расположена в картридже с односторонним контактом (S.E.C.). Также, имеется и 32 KB кэша первого уровня (16K для данных и 16K - для инструкций), что вдвое больше, чем у процессора Pentium Pro. Кэш второго уровня имеет код коррекции ошибок (ECC), увеличивающий надежность и целостность данных при использовании в одно- и двухпроцессорных серверных системах.

Основными конструктивными особенностями процессора являются:

Архитектура Двойной Независимой Шины;

Технология Intel MMX;

Динамическое исполнение;

Картридж с односторонним контактом (S.E.C.).

Intel Celeron

Совершенно новой веткой в направлении технологии микропроцессоров для Intel является выпуск параллельных основным процессорам, "облегченных" и удешевленных вариантов. Таковой является серия Celeron. Впервые эти процессоры появились в апреле 1998 года. Процессоры Celeron с тактовыми частотами 400, 366, 333, 300 и 266 МГц были ориентированы на рынок компьютеров начального уровня. Процессоры Celeron имеют все достоинства микроархитектуры P6, на основе которой был построен процессор Pentium II.

Основные характеристики серии Celeron:

Работают на высоких тактовых частотах и обладают высокой производительностью при доступных ценах;

Используют технологию MMX;

Используют технологию динамического исполнения;

Производятся по 0,25-микронной технологии и монтируются в корпус с односторонним расположением контактов типа S.E.P.P., обеспечивающий простоту установки и экономичность;

Используют системную шину микроархитектуры P6 с тактовой частотой 66 МГц, поддерживающую параллельные транзакции и контроль четности данных;

Оснащены неблокируемой кэш-памятью первого уровня емкостью 32 кбайт (16 кбайт для команд + 16 кбайт для данных);

Оснащены встроенной кэш-памятью 2-го уровня объемом 128 Kб;

Ядро содержит от 7,5 млн. (у процессоров с тактовыми частотами 300 и 266 МГц) до 19 млн. (у процессоров с частотами 400, 366, 333 МГц) транзисторов и включает встроенную кэш-память 2-го уровня.

Процессоры оснащены встроенной системой самотестирования BIST, обеспечивающей контроль однобитных ошибок микрокода, поддержку больших логических массивов, тестирование кэш-памяти команд и данных. Специальные внутренние счетчики обеспечивают мониторинг производительности и подсчет событий.

Также, необходимо добавить, что процессоры Celeron по-прежнему являются наиболее разгоняемыми. Многие модели начиная с серии Celeron 300 работают на частоте на 25-30% большей номинальной.

Intel Pentium III

Одной из важнейших новостей начала 1999 года является то, что процессор Pentium III вышел в серийное производство. Хотя, его нельзя назвать процессором нового поколения, так как он основан на том же P6 ядре, что и Pentium II. Pentium III работает на более высоких тактовых частотах, содержит более 70 новых инструкций, новые регистры и реализует новейшие аппаратные и программные технологические решения. Он разработан для ускорения работы всех мультимедийных средств и систем ПК, таких как статическая и динамическая 3D графика, видео и звук. Также оптимизированы и улучшены инструкции пересылки операндов в памяти и обработка потоков информации.

Среди большого числа преимуществ нового процессора можно выделить следующие:

Новые оптимизированные инструкции с поддержкой SIMD;

Оптимизация вычислений с плавающей точкой;

Оптимизация MMX инструкций;

Улучшенный доступ к памяти Streamline;

Высокая тактовая частота (450MHz - 1000MHz);

Уникальный идентификационный код.

70 новых удобных и оптимизированных инструкций пересылки и обработки специфических данных, таких, как 3D графические преобразования и вычисления, осуществляют действия одной инструкцией, для которых до этого требовалось выполнять от четырех до шести отдельных инструкций. Это достигается за счет использования технологии SIMD (Single Instruction Multiple Data), дающей возможность одной инструкции оперировать с операндами, гораздо больших, чем ранее было возможно, размеров. Не обошлось и без появления новых регистров. Таковые в Pentium III позволяют распараллеливать вычисления с плавающей точкой и выполнять до четырех операций с вещественными числами одновременно, что может существенно повысить производительность 3D приложений и игр, а также сделать значительный рывок в технологии 3D проектирования и моделирования.

Доступ к памяти осуществляется по технологии Streamline, а объем кэша второго уровня (L2) - 512KB. Оптимизирован доступ к кэш-памяти второго уровня, что приводит к уменьшению среднестатистического числа промахов в L2 кэше. Это приводит к ускорению выполнения оптимизированного кода.

Новинкой является уникальный идентификационный код, которым снабжается каждый чип. Данный код может быть использован, прежде всего для идентификации процессора, его партии, места и времени выпуска и других производственных характеристик и особенностей. Поэтому, любой владелец Pentium III мог получать от Intel исчерпывающую информацию о установленном в его компьютере процессоре и проверить его на предмет подделки.

При переходе на 0,25-микронный техпроцесс появился новый процессор Pentium III, в котором было достаточно много усовершенствований, однако кэш второго уровня всё ещё работала на половинной частоте ядра процессора. Только с появлением процессора Pentium III Coppermine, изготавливаемого по 0,18-микронной технологии, кэш второго уровня переместилась в ядро процессора и стала работать на частоте ядра процессора.

Intel Celeron II Coppermine

Celeron II Coppermine - новый этап в развитии линейки Celeron. Начиная с частоты 533 МГц Celeron обзавелся новым процессорным ядром - Coppermine с урезанным до 128 килобайт кэшем L2. Соответственно, по своим характеристикам процессор максимально близок к Pentium III.

Intel Pentium IV (ядро Willamette)

Столкнувшись с множеством проблем при попытке увеличить частоту процессора Pentium III выше 1ГГц, сотрудники компании Intel поняли, что старая архитектура процессоров требует радикальных изменений. И хотя переход производства на 0,13 мкм техпроцесс поможет Pentium III еще около года вполне достойно выполнять свою работу (ожидалось, что частота Pentium III поднимется до 1,5 ГГц), потенциал этой архитектуры уже был практически исчерпан. Будучи выпущенным, в 1995 году, процессор Intel Pentium Pro стал первым CPU с архитектурой P6. С тех пор прошло уже достаточно много времени, сменилось несколько поколений процессоров, однако, по сути архитектура не менялась. Семейства Pentium II, Pentium III и Celeron имеют все то же строение ядра, отличаясь, по сути, только размером и организацией кэша второго уровня и наличием разного набора команд. Естественно, рано или поздно архитектура P6 должна была устареть. К сожалению, дальнейшее наращивание частоты существующих процессоров приводит все к меньшему росту их производительности. Проблема в том, что задержки, возникающие при обращении к тем или иным узлам процессора в P6 уже были слишком велики. Именно это явилось основной причиной, по которой Intel затеял разработку Pentium 4, которая выполнена с чистого листа. Таким образом Pentium 4 - совершенно новый процессор, ничего общего не имеющий со своими предшественниками. Основные характеристики процессора Pentium 4, основанного на ядре Willamette

Производится по технологии 0,18 мкм;

Работает при напряжении питания 1,7 В;

Имеет частоты от 1,3 до 2 ГГц;

Содержит 42 млн. транзисторов и имеет площадь 217 кв. мм. Это в два раза больше, чем площадь ядра Athlon или Pentium III;

Для этих процессоров требуются новые материнские платы на чипсете i850.

Процессоры вставляются в новое гнездо Socket 423;

Использует высокопроизводительную 400 МГц системную шину.

Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Основные особенности архитектуры Intel NetBurst

Для того, чтобы процессоры могли работать на частотах порядка нескольких гигагерц Intel увеличил длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology) за счет чего удалось даже при текущих технологических нормах (0,18мкм) добиться работы процессора на частоте в 2ГГц. Названием Hyper Pipelined Technology конвейер Pentium 4 обязан своей длине - 20 стадий. Для сравнения - длина конвейера Pentium III составляет 10 стадий. Чего же достиг Intel, так удлинив конвейер? Благодаря декомпозиции выполнения каждой команды на более мелкие этапы, каждый из этих этапов теперь может выполняться быстрее, что позволяет беспрепятственно увеличивать частоту процессора. Так, если при используемом технологическом процессе 0.18 мкм предельная частота для Pentium III составляет 1 ГГц (по более оптимистичным оценкам, 1.13 ГГц), то Pentium 4 мог достигнуть частоты в 2 ГГц. Однако у чрезмерно длинного конвейера есть и свои недостатки. Первый недостаток очевиден - каждая команда теперь, проходя большее число стадий, выполняется дольше. Поэтому, чтобы младшие модели Pentium 4 превосходили по производительности старшие модели Pentium III, частоты Pentium 4 начинаются с 1,4 ГГц. Если бы Intel выпустил Pentium 4 с частотой 1 ГГц, то этот процессор, несомненно, проиграл в производительности Pentium III 1 ГГц. Второй недостаток длинного конвейера вскрывается при ошибках в предсказании переходов.

Из-за такого увеличения длины конвейера время выполнения одной команды в процессорных тактах также сильно увеличивается. Поэтому компания сильно поработала над алгоритмами предсказания переходов (Advanced Dynamic Execution). Advanced Dynamic Execution - осуществляет минимизацию простоя процессора при неправильном предсказании переходов и увеличение вероятности правильных предсказаний. Для этого Intel улучшил блок выборки инструкций для внеочередного выполнения и повысил правильность предсказания переходов. Правда, для этого алгоритмы предсказания переходов были доработаны минимально, основным же средством для достижения цели было выбрано увеличение размеров буферов, с которыми работают соответствующие блоки процессора. Количество предварительно загружаемых инструкций увеличилось до 126 по сравнению с 48 у Pentium III. Буфер, хранящий адреса условных переходов, также увеличился с 512 байт до 4 КБ. Все это позволило увеличить вероятность правильного предсказания переходов на 33%.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты (Rapid Execution Engine). Два блока АЛУ (арифметико-логическое устройство), выполняющие операции над целочисленными данными, работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора. Таким образом, например, в Pentium 4 с частотой 1.4 ГГц ALU работает на частоте 2.8 ГГц. В ALU исполняются простые целочисленные инструкции, поэтому, производительность нового процессора при операциях с целыми числами была очень высокой. Однако, на производительности Pentium 4 при операциях с вещественными числами, MMX или SSE двукратное ускорение ALU никак не сказывается.

Кэш 1-го уровня в процессоре также претерпел значительные изменения. В отличие от Pentium III, кэш которого мог хранить команды и данные, Pentium 4 имеет всего 8 КБ кэш данных. Команды, поступающие на исполнение процессору, сохраняются в так называемом Trace Cache. Там они хранятся уже в декодированном виде, т.е. в виде последовательности микроопераций, поступающих для выполнения в исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша составляет 12000 микроопераций. Для кэширования инструкций теперь используется Trace Cache, однако по сравнению с обычным L1-кэшем он имеет много преимуществ, направленных опять же на минимизацию простоев процессора при выполнении неправильных предсказаний переходов. Кэш 2-го уровня в Pentium 4, сделанном на ядре Willamette, остался объемом 256 КБ.

Самой интересной особенностью новых процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отличие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel решила оставить его практически без изменений, но зато дополнила его множеством команд для работы с потоками данных. К 70 инструкциям SSE, работающим с потоковыми данными одинарной точности добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной от одного до восьми байт.

Intel Pentium IV (ядро Northwood)

Можно только позавидовать активности и жизненной энергии компании Intel. Казалось бы - чем можно заниматься 3 января, кроме как лежать, да отсыпаться после новогоднего веселья. Но именно 3 января, когда лишь немногие особо стойкие представители компьютерной общественности добирались до своих компьютеров, Intel официально анонсировал новую версию процессора Celeron. Но лишь для того, чтобы разбудить всех, кто к тому времени еще не проснулся. Ведь уже 7 числа компания представила долгожданные процессоры Pentium 4, выполненные по 0.13 мкм техпроцессу и основанные на ядре Northwood.

По большому счету, у ядра Northwood есть всего несколько существенных отличий от Willamette:

Более тонкий техпроцесс: 0.13 мкм против 0.18 мкм;

Вдвое увеличенный объем кэш-памяти второго уровня;

Кристалл процессора содержит 55 млн. транзисторов.

Как бы то ни было, но именно заветные 0.13 мкм дают Intel возможность и дальше продолжать интенсивное увеличение частот, так необходимое Pentium 4 и его длинному конвейеру.

Чуть позже после существенного усовершенствования архитектуры процессора Pentium 4 (переход на 0,13-микронную технологию) корпорация Intel сделала следующий шаг, увеличив тактовую частоту внешней шины процессора с 400 до 533 МГц. Были объявлены две модели Pentium 4 -- с тактовыми частотами 2,4 и 2,26 ГГц. В поддержку нового процессора был выпущен чипсет i850E. От i850 он отличается только возможностью взаимодействовать с ЦП на частотах как 400, так и 533 МГц (пропускная способность шины соответственно 3,2 и 4,2 Гб/с). Производительность системы в сравнении с 2 ГГц процессором Willamette увеличилась на 21% на деловых пакетах и на 20% -- на задачах издательского дела и мультимедиа. Наибольший прирост производительности -- 35% -- отмечался на задачах обработки трехмерной графики.

...