[irt.od.ua]КонспектАПСПК / КонспектАПСПК

Лекция 20-21. Центральный процессор Pentium

20.1. Процессоры Pentium первого поколения

Процессор 80586 (Pentium)

Первый CPU 80586 Pentium был анонсирован корпорацией Intel в 1993 г.

•Техпроцесс 800…350нм, частота – до 150 МГц, напряжение на ядре – 2.9 В, интерфейс – 3.3 В, 3 млн. транзисторов КМОП, разъем – Socket 5. Быстрее PC/XT примерно в 300 раз.

•Используются два конвейера по 5 ступеней – суперскалярная архитектура (рис. 20.1)

•Введена система предсказания переходов. Для этого имеется специальный буфер адреса перехода (Branch Target Buffer, ВТВ), который хранит данные о последних 256 переходах

Рис. 20.1. Работа конвейера Pentium

•В CPU Pentium интегрирована инклюзивная кэш-память с политикой обратной записи объемом 16 КБ: 8 КБ для команд и 8 КБ для данных.

•Процессор Pentium оборудован сопроцессором, дающим трехкратный выигрыш по сравнению с FPU 486.

•Адресная шина Pentium 32-битная, а шина данных интерфейса - 64-битная.

•Предложена шина PCI.

Процессор 80686 (Pentium Pro)

В феврале 1995 г. фирма Intel провела презентацию первых рабочих образцов микропроцессора следующего поколения 80686 (Р6) — Pentium Pro. Предназначен для работы в составе серверов и рабочих станций:

•RISC-ядро с блоком перекодировки внешних CISC команд

•Три конвейера по четырнадцать ступеней

•Применяются статический и динамический методы предсказания переходов. Вероятность правильного предсказания переходов – 90%.

81

•Предусмотрены два буфера предвыборки - исполнение по предположению.

•Встроенная кэш-память второго уровня (L2) 256…2048КБ.

•В системе Pentium Pro может работать одновременно до четырех CPU

Pentium MMX

Процессор Pentium MMX был анонсирован корпорацией Intel в 1997 г.

•Техпроцесс – 350 нм, тактовая частота – до 200 МГц, разъем Socket 7. Быстрее 8088 примерно в 500 раз.

•Введена поддержка технологии MMX.

•Вдвое увеличен размер кэш-памяти первого уровня (LI) — 16 Кб для данных и 16 Кб для команд, что повысило производительность на 15%.

•Увеличена на один шаг длина конвейера (стало 6 ступеней).

•Блок предсказаний переходов заимствован у CPU Pentium Pro.

•Вдвое увеличено количество буферов записи данных (4 вместо 2).

•Имеется возможность исполнения двух ММХ-команд одновременно.

•Улучшен механизм параллельной работы конвейеров.

•Процессор имеет встроенный тест (Self Test)

Функциональная схема системы на базе Pentium приведена на рис. 20.2.

SB 66MHz

CPU

Host Bridge

L2 Cache

Pentium

64

Contr. Cache

k=2…3

Contr.

Mem BEDO

L1=16+16k

DRAM

2 Pipeline

Contr. PCI

DRAM 64M

ISA

PCI

Host

PCI/ISA

VIDEO

Devices

IDE/

PIC

Devices

PCI

Floppy

DMA …

ISA

SOUND

HD /

Floppy

BIOS

Keyboard

CDROM

Рис. 20.2. Архитектура Pentium – PCI

20.2. Процессоры Pentium второго и третьего поколения

Pentium II

Процессор представляет собой модификацию CPU Pentium Pro с поддержкой MMX.

• Техпроцесс – 250 нм, около 7,5 млн. транзисторов, тактовая частота – до 450 МГц. Быстрее CPU 8088 в 1000 раз.

82

•Использован картридж Slot 1 c кэш-памятью второго уровня (L2) до 512 КБ, работающей на половинной тактовой частоте ядра CPU.

•Использование двойной системной шины DIB (Dual Independent Bus) - CPU связан с кэш-памятью второго уровня и RAM двумя различными шинами. Это позволило увеличить тактовую частоту системной шины материнской платы с 66 до 100 МГц.

•Введена технология MMX2 с расширенным набором команд.

•Использована отдельная шина AGP для видеокарт.

Pentium III

Процессор объявлен в 1999 году.

ВPentium III-системе имели место следующие усовершенствования:

•Техпроцесс – 180 нм, около 30 млн. транзисторов, напряжение на ядре – 2 В, типичное тепловыделение – 35 Вт. Тактовая частота 1 ГГц, частота системной шины FSB 133 МГц. Разъем Socket 370. Быстрее CPU 8088 примерно в 3000 раз.

•Кэш второго уровня L2 находится на кристалле и работает на частоте FSB.

•Технология Data Prefetch Logic. Она повышает производительность, предварительно загружая в кэш данные, необходимые приложению.

•Технология SSE для увеличения скорости работы с потоками данных. Функциональная схема системы на базе Pentium II/III приведена на рис. 20.3.

SB 133MHz (1GB/s)

CPU

SDRAM 512M

Pentium III

North Bridge

k=4…8

66 MHz (1GB/s)

L1 32+32KB

AGP 4x

Video

L2 256-512K

PCI 33MHz (132MB/s)

ISA 8MHz(4MB/s)

BIOS

Device

Device

South Bridge

PCI

PCI

Keyboard

USB

IDE

Floppy

Sound

COM LPT

Рис. 20.3. Архитектура системы Pentium III

Фирма Intel выпускает также процессоры Celeron для нижнего ценового диапазона (до 100$) с урезанной кэш L2 и, наоборот, процессоры для серверов и рабочих станций Xeon (более 400$) с кэш L2 2-4 МБ. Кроме того, выпускается мобильный вариант Pentium-M для ноутбуков с поддержкой технологии Wi-Fi.

83

20.3. Процессор Pentium IV

Первое поколение Pentium IV

В 2000-м году фирма Intel анонсирует свой первый специализированный процессор, оптимизированный под потоковые вычисления (технология NetBurst): скоростной интернет и мультимедийные приложения.

Главными характеристиками процессора являются:

•Техпроцесс – 130 нм, более 50 млн. транзисторов, напряжение на ядре – 1.5 В, максимальное тепловыделение – до 80 Вт, разъем – Socket 478. Тактовая частота ядра до 3 ГГц, частота системной шины 533 МГц, производительность по сравнению с 8088 превышает 8000 раз.

•Технология энергосбережения и мгновенной защиты от перегрева.

•Системная шина - QPB (Quad Pumped Bus) – 4 передачи за такт.

•Длина конвейера – 20 ступеней - позволила повысить тактовую частоту. Однако при этом увеличиваются энергопотребление и потери из-за неправильного предсказания перехода.

•Усовершенствована система предсказания переходов (95%).

•укороченный кэш L1 8 КБ, где хранятся уже декодированные команды (12000 микроопераций). Кэш второго уровня L2 – до 512 КБ.

•Технология SSE2

•Поддержка четырехканальной памяти RDRAM или двухканальной DDR SDRAM.

Функциональная схема системы на базе Pentium IV приведена на рис. 20.4.

CPU

DDR SDRAM 2G

Pentium IV

QPB

North Bridge

k=15…23

DDR SDRAM 2G

L1 8KB

L2 512K

AGP 8x

Video

PCI

Inside contr.

South Bridge

Device

Device

PCI

PCI

Floppy

USB

IDE

LAN

LPT

Sound

Рис. 18.4. Архитектура системы Pentium IV (1)

Второе поколение Pentium IV

Второе поколение Pentium IV сформировалось к 2004 году.

• Техпроцесс – 90 нм, 125 млн. транзисторов, типичное тепловыделение около 130 Вт. Разъем Socket 775. Тактовая частота ядра более 4 ГГц, частота сис-

84

темной шины 800 МГц. Производительность превышает 10000 раз относительно CPU 8088. Быстрее Pentium IV первого поколения на 20%.

•Впервые для процессоров от Intel введена рейтинговая система.

•Кэш L1=32 КБ, L2=512 -1024 кБ, а также возможна L3=2 МБ на кристалле.

•Конвейер увеличен до 31 ступени.

•Технология Hyper-Threading. Эмулирует второй процессор во время простоя ядра, например, во время перезагрузки конвейера.

•Технология SSE3.

•Поддержка параллельной шины PCI-express 16x.

•Поддержка последовательной шины PCI-express 1x.

•Поддержка памяти DDR2 SDRAM.

•Встроенный высококачественный звук 5.1.

•Поддержка RAID массива двух произвольных дисков (Matrix Storage).

Функциональная схема системы на базе Pentium IV второго поколения приведена на рис. 18.5.

8.5 G/s

CPU

6.4G/s

DDR2 SDRAM 2G

Pentium IV

North Bridge

k=15…20

DDR2 SDRAM 2G

L1 32KB

L2 1М, L3

8 G/s

PCI-e 16x

Video

High Audio

8 G/s DMI

Matrix Storage

4 PCI-exp 1x

500MB/s

South Bridge

60MB/s

Wireless connect

8 USB-2.0

150MB/s 133MB/s

4 SATA

6 PCI

BIOS HT

Рис.

20.5. Архитектура системы Pentium IV (2)

На основе технологии Pentium IV выпускались бюджетные процессоры Celeron (D), а также мощные процессоры Xeon MP для мультипроцессорных рабочих станций.

21.1.Многоядерная архитектура Pentium D - Conroe

Вапреле 2005 года представлен первый двухядерный процессор Pentium EE 840 на основе архитектуры NetBurst, а в июле 2006 – новая двухядерная архитектура Core 2 Duo Conroe.

85

Рис. 21.1. Ядро Conroe

Основные усовершенствования

•Intel Wide Dynamic Execution - повышает производительность и эффективность работы процессора, позволяя каждому ядру исполнять до четырех инструкций за такт с использованием эффективного 14-этапного конвейера. Введен 4-й декодер, что позволяет выполнять 4 инструкции одновременно. Улучшено декодирование команд, исключающее простои ядра. Увеличено количество и объем буферов. Улучшен блок предсказания переходов. Уменьшено число тактов вычисления в сопроцессоре.

•Intel Advanced Digital Media Boost – удваивает скорость выполнения команд, часто используемых в мультимедийных и графических приложениях. SSE, SSE2, SSE3, SSE4. 128-битные операции.

•Intel Advanced Smart Cache - – общая (разделенная) кэш-память 2-го уровня 256 бит сокращает энергопотребление, сводя к минимуму объём «трафика» в подсистеме памяти, и повышает производительность системы, обеспечивая одному из ядер доступ ко всей кэш-памяти при простое другого ядра.

•Intel Smart Memory Access – повышает производительность системы путем снижения задержек при доступе к памяти и таким образом оптимизирует использование доступной пропускной способности, благодаря чему процессор получает данные тогда, когда они требуются. Снижена латентность. Используется предзагрузка данных.

•Технология Intel 64 Technology – обеспечивает поддержку 64-разрядных вычислений

•Intel Intelligent Power Capability. Оптимизирована производительность на ватт.

86

На одинаковой частоте в 1.5-2 раза быстрее Pentium D и на 20-40% быстрее Athlon X2 в зависимости от размера кэш L2.

В ноябре 2007 представлен 4-ядерный процессор Core 2 Extreme QX6700, который содержит два ядра Conroe на кристалле. Этот процессор быстрее двухъядерного Conroe в полтора раза и в 3 раза быстрее по сравнению с одноядерным процессором. (Превышает быстродействие 8086 в 30000 раз)

Рис. 21.2.

87

Процессоры для мобильных систем.

Контрольные вопросы

1.Почему процессор Pentium называют революционным?

2.Каковы особенности построения ПЭВМ на базе Pentium II?

3.Дайте описание компьютерной системы на базе Pentium III.

4.Какова архитектура ПЭВМ на базе первых Pentium IV?

5.Опишите построение компьютерной системы на базе CPU Pentium IV последнего поколения.

88

Лекция 22-23. Процессоры фирмы AMD

22.1. Клоны Intel

С 1982-го по 1993-й годы фирма AMD покупала лицензии у Intel и после некоторой доработки выпускала процессоры Am 286, Am 386 и Am 486. В текущий момент времени Intel выпускала более мощные процессоры, однако, процессоры AMD стоили дешевле и лучшие модели семейства также принадлежали AMD.

В 1995 г. был представлен процессор Am 586™ - процессор пятого поколения с суперскалярной архитектурой. Предназначался для установки на старые материнские платы (под «четвёрки»). Тех характеристики: 1,6 млн. транзисторов; тактовая частота ядра - 133 МГц, шины - 33 МГц; кэш первого уровня: 16 Кб; кэш второго уровня на материнской плате до 512 Кб; процессор, шина данных и адресная шина 32-х разрядные.

22.2. Пятое и шестое поколение (K5, K6)

После отсуждения от Intel 1 млрд. долларов и поглощения фирмы NexGen с группой инженеров во главе с Атиком Раза фирма AMD начала собственные разработки. Появилась процессоры серии "K" от слова "Krypton" - мифический материал, который лишает силы знаменитого Супермена. Особенность семейства K5 и K6 состояла в том, что они устанавливались в те же разъемы, что и процессоры Intel Socket 7 с соответствующей версией BIOS. Поэтому структурные схемы систем соответствуют рис.18.2 и рис.18.3. В целом, процессоры превосходили Intel при целочисленных расчетах, но до 30% уступали в вычислениях с плавающей точкой.

Семейство K5. В 1996 г. анонсированы CPU K5-PR75. . . K5-PR133. Поскольку архитектура (x86-to-RISC86) отличалась от Intel, введено понятие P-рейтинга: например, процессор K5-PR120 работал на частоте 90 МГц.

Были применены лучшие достижения того времени:

•Техпроцесс – 350 нм, 4.3 млн. транзисторов.

•Скоростное RISC-подобное ядро с транслятором (аналог Pentium-Pro).

•Встроенный сопроцессор 80 бит.

•Суперскалярная архитектура – 5 ступеней, 4 конвейера (2 у Intel)

•Кэш-память L1 – 16 КБ+8 КБ (8 КБ+8 КБ у Intel). L2 – до 1 МБ на системной плате.

•Динамическое предсказание переходов

•Тактовая частота интерфейса – до 66 МГц, 64-х разрядная шина данных. Семейство K6. В 1997 г. представлен процессор K6: 8.8 млн. транзисторов; технология 250 нм; тактовая частота до 300 МГц; кэш первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); кэш второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 32-разрядный; шина данных 64-разрядная (66

89

МГц). Поддерживает технологию MMX. Может выполнять до 6 инструкций RISC86 одновременно.

Процессор AMD K6-2 анонсирован фирмой AMD в 1998 г. В ядро CPU K6-2 добавлен новый модуль 3DNow! с конвейерной структурой для обработки SIMD-инструкций для ускорения мультимедийных приложений. Тех. характеристики: 9.3 млн. транзисторов; технология производства - 250 нм; тактовая частота 266-550 МГц; частота системной шины 100 МГц.

Процессоры AMD K6-3 и AMD K6-2+ выпущены в 1999 г. и 2000 г. Содержат на кристалле полноскоростную кэш L2 256 КБ и 128 КБ. Эти CPU требуют разъем Super Socket 7. Содержат более 20 млн. транзисторов по технологии 250 нм; тактовые частоты 350-500 МГц.

22.3. Athlon – седьмое поколение процессоров

Первый процессор, который отличается от Intel не только внутренней архитектурой, но и внешним интерфейсом. Требует отличный от Pentium разъем и ChipSet. Однако архитектура системы в целом совпадает с Pentium III (рис.18.3) и Pentium IV (рис. 18.4).

После выхода в 1999 г. AMD Athlon (победитель) позиции Intel сильно пошатнулись. Первый Athlon включал в себя: 22 млн. транзисторов по технология 250-180 нм с применением медных соединений, напряжение на ядре – 1.6 В, тактовая частота 500…1000 МГц. Использовался картридж с разъемом Slot A.

Ключевыми особенностями являются:

•процессорная шина – Alpha EV-6 200 МГц (DDR 100МГц х2);

•кэш первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); кэш второго уровня 512 Кб, работающий на 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора;

•расширенный набор инструкций Enhanced 3DNow!

•3 конвейера по 10 стадий для целочисленных вычислений;

•3 конвейера по 17 стадий для вычислений с плавающей точкой;

•выполнение до 9 инструкций одновременно;

•2048 значений таблицы предсказания переходов;

•эксклюзивная кэш первого уровня с гарвардской архитектурой объемом 64 КБ для данных и 64 КБ для инструкций – всего 128 КБ;

•эксклюзивная кэш второго уровня с принстонской архитектурой объемом 512 Кб в виде дополнительного модуля, работающего на 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора; оба уровня кэш используют политику обратной записи.

Athlon быстрее Pentium III на той же частоте.

В2000-м году выпущен AMD Athlon Thunderbird (альбатрос) в формфакторе Socket A по технологии 180 нм. На чипе интегрированы 256 Кбайт кэш L2, работающей на частоте ядра. Тактовая частота: 600-1400 МГц; процессорная шина – Alpha EV-6 200-266МГц (DDR 100х2-133х2).

90