Пятое поколение процессоров

🕛 24.09.2009, 14:01

После выпуска процессоров четвертого поколения (таких, как 486) Intel и другие производители занялись разработкой новых архитектур и функций, которые и внедрили в так называемые процессоры пятого поколения. В настоящем разделе описаны процессоры пятого поколения производства Intel, AMD и других компаний.

Процессоры Pentium

В октябре 1992 года Intel объявила, что совместимые процессоры пятого поколения (разрабатывавшиеся под кодовым названием Р5) будут называться Pentium, а не 586, как предполагали многие. Такое название было бы вполне естественным, однако выяснилось, что цифровые обозначения не могут быть зарегистрированы в качестве торговой марки, а Intel опасалась конкурентов, которые могли начать выпуск аналогичных микросхем под давно ожидавшимся “непатентуемым” названием. Первые процессоры Pentium были выпущены в марте 1993 года, а через несколько месяцев появились и первые компьютеры на их основе.
Процессор Pentium совместим с предыдущими моделями Intel, но при этом значительно отличается от них. Одно из отличий вполне можно признать революционным: Pentium имеет два конвейера, что позволяет ему выполнять сразу две команды. (Все предыдущие процессоры выполняли в каждый момент времени только одну команду.) Компанией Intel эта возможность названа суперскалярной технологией. Благодаря этой технологии производительность Pentium по сравнению с процессорами 486 существенно повысилась.
Понятие суперскалярная архитектура обычно связывается с высокопроизводительными RISC-процессорами. Pentium - один из первых процессоров CISC (Complex Instruction Set Computer), который можно считать суперскалярным. Он практически эквивалентен двум процессорам 486, объединенным в одном корпусе. Его характеристики приведены в табл. 3.25.
Таблица 3.25. Характеристики процессора Pentium
Дата появления 22 марта 1993 года (первое поколение), 7 марта 1994 года (второе поколение)
Максимальная тактовая частота 60, 66 МГц (первое поколение); 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 МГц (второе
поколение)
Кратность умножения частоты 1х (первое поколение); 1,5х-3х (второе поколение)
Разрядность регистров 32 Разрядность внешней шины данных 64
Разрядность шины адреса 32
Адресуемая память 4 Гбайт
Размер встроенной кэш-памяти 8 Кбайт (для кода), 8 Кбайт (для данных)
Тип встроенной кэш-памяти Двухстраничная, двунаправленная (для данных)
Укороченные циклы памяти Есть
Количество транзисторов 3,1 млн. и более
Размер элемента на кристалле 0,8 мкм (60/66 МГц), 0,6 мкм (75-100 МГц), 0,35 мкм (120 МГц и выше)
Корпус 273-контактный PGA, 296-контактный SPGA, пленочный корпус
Сопроцессор Встроенный
Снижение энергопотребления Система SMM, во втором поколении улучшенная
Напряжение питания 5 В (первое поколение), 3,465; 3,3; 3,1 и 2,9 В (второе поколение)
PGA - Pin Grid Array (массив штырьковых контактов).
SPGA - Staggered Pin Grid Array (корпус с шахматным расположением выводов).
Два конвейера данных обозначаются буквами u и v. Конвейер u - основной - может выполнять все операции над целыми числами и числами с плавающей запятой. Конвейер v - вспомогательный - может выполнять только простые операции над целыми числами и частично над числами с плавающей запятой. Одновременное выполнение двух команд в разных конвейерах называется сдваиванием. Не все последовательно выполняемые команды допускают сдваивание, и в этом случае используется только конвейер u. Чтобы достичь максимальной эффективности работы процессора Pentium, желательно перекомпилировать программы так, чтобы появилась возможность сдваивать как можно больше команд.
Чтобы в одном или обоих конвейерах сократить время простоев, вызванных задержками выборки команд при изменении счетчика адреса в результате выполнения в программах команд ветвления, в Pentium применяется буфер адреса ветвления (Branch Target Buffer - ВТВ), в котором используются алгоритмы предсказания адресов ветвления. Если переход по команде ветвления должен произойти в ближайшем будущем, программные инструкции из соответствующей ячейки памяти заранее считаются в ВТВ. Предсказание адреса перехода позволяет обоим конвейерам работать с максимальным быстродействием. Внутренняя архитектура процессора Pentium представлена на рис. 3.38.
Процессор Pentium имеет 32-разрядную шину адреса (такую же, как и у процессоров 386 и 486), что позволяет адресовать память объемом до 4 Гбайт. Но, поскольку разрядность шины данных увеличена до 64, при одинаковой тактовой частоте скорость обмена данными оказывается в два раза выше, чем у 486-го. При использовании такой шины данных требуется соответствующая организация памяти, т.е. каждый банк памяти должен быть 64-разрядным.
В большинстве системных плат память строится на основе модулей SIMM или DIMM. Модули SIMM бывают 8- и 32-разрядными. В специальных версиях этих модулей применяются коды коррекции ошибок (Error Correction Codes - ECC). В компьютерах с процессором Pentium применяются в основном 36-разрядные модули SIMM (32 бит данных и 4 бит четности) - по два модуля на один банк памяти. На системной плате обычно устанавливается четыре гнезда для этих модулей, т.е. для двух банков памяти. В более новых компьютерах с процессором Pentium и Pentium II применяются 64-разрядные модули DIMM.
Несмотря на то что внешняя шина данных 64-разрядная, внутренние регистры Pentium - 32-разрядные. При выполнении команд и обработке данных внутри процессора они предварительно разбиваются на 32-разрядные элементы и обрабатываются почти так же, как в процессоре 486. Иногда говорят, что Intel вводит всех в заблуждение, называя Pentium 64-разрядным процессором. На это можно ответить, что внешний обмен данными все-таки 64-разрядный. Внутренние же регистры Pentium полностью соответствуют регистрам процессора 486.
Процессор Pentium имеет два встроенных кэша объемом по 8 Кбайт каждый, тогда как в 486-м содержится один кэш объемом 8 или 16 Кбайт. Схемы кэш-контроллера и сама кэшпамять размещены на кристалле процессора. В кэш-память копируется информация (данные и программные коды) из различных областей системной памяти. Кэш-память процессора Pentium может также хранить информацию, которая должна быть записана в память, до того момента, пока не снизится нагрузка на процессор и другие компоненты системы. (Процессор 486 выполняет все записи в память сразу.)
Отдельное кэширование кода и данных организовано по двухстраничной схеме; каждая страница разделена на строки по 32 байт. Для каждого кэша предусмотрен специальный ассоциативный буфер трансляции (преобразования) адресов (Translation Lookaside Buffer TLB), предназначенный для преобразования линейных адресов в физические адреса памяти. Кэш-память может работать как в режиме сквозной записи, так и в двунаправленном режиме, т.е. с построчным опросом. Производительность процессора в двунаправленном режиме оказывается выше, поскольку в кэш-память записываются не только считываемые данные, но и результаты, в отличие от режима сквозной записи (при котором в кэш-память записываются только считываемые данные). В двунаправленном режиме значительно уменьшается количество обменов данными между процессором и системной памятью. В программном кэше предусмотрена защита от записи, поскольку в нем хранятся только программные инструкции, а не меняющиеся по ходу выполнения программ данные. Благодаря использованию укороченных циклов памяти данные в кэш-память (или из нее) могут быть переданы очень быстро.
Внутренняя архитектура процессора Pentium
Производительность компьютеров с процессором Pentium значительно повышается при использовании внешней кэш-памяти (второго уровня), которая обычно имеет емкость 512 Кбайт и выше и строится на основе быстродействующих микросхем статических RAM (время задержки - 15 нс и меньше). Если процессор пытается считать данные, которых еще нет во встроенной кэшпамяти (первого уровня), то состояния ожидания существенно замедляют его работу. Если же эти данные уже записаны во внешнюю кэш-память, процессор выполняет программу без остановок.
Процессор Pentium изготавливается с использованием биполярной КМОП-технологии (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor - BiCMOS), применение которой приблизительно на 10% усложняет микросхему, но позволяет повысить ее производительность на 30-35% без увеличения размеров кристалла и потребляемой мощности.
Все процессоры Pentium с частотой 75 МГц и выше относятся к классу SL Enhanced, т.е. в них предусмотрена система SMM, обеспечивающая снижение энергопотребления. В процессорах Pentium второго поколения (с тактовой частотой 75 МГц и выше) эта система усовершенствована и предусматривает возможность переключения тактовой частоты, в результате чего дополнительно снижается потребляемая мощность. Возможна даже полная приостановка подачи тактовых сигналов (при этом процессор переходит в дежурный режим с минимальным потреблением мощности). Процессоры Pentium второго поколения работают при напряжении питания 3,3 В, что также снижает потребляемую мощность и, следовательно, нагревание микросхемы.
Во многих системных платах предусмотрено напряжение 3,465 или 3,3 В. Напряжение 3,465 В компанией Intel названо VRE (Voltage Reduced Extended); оно требуется для некоторых версий процессора Pentium, особенно для тех, которые работают на частоте 100 МГц. Стандартная величина напряжения 3,3 В называется STD (стандартной), оно используется большинством процессоров Pentium второго поколения. Величина напряжения STD может находиться в диапазоне от 3,135 до 3,465 В, номинальное значение - 3,3 В. Существует также специальное значение напряжения 3,3 В, называемое VR (Voltage Reduced - уменьшенное напряжение), его величина может находиться в диапазоне от 3,300 до 3,465 В, номинальное значение - 3,38 В. Для работы некоторых процессоров требуется именно такое напряжение, и оно поддерживается большинством системных плат. Ниже приведены спецификации применяемых напряжений.
Спецификация напряжения
Номинальное, В
Погрешность, В
Минимальное, В
Максимальное, В
STD (Standard)
3,30
±0,165
3,135
3,465
VR (Voltage Reduced)
3,38
±0,083
3,300
3,465
VRE (VR Extended)
3,50
±0,100
3,400
3,600
Чтобы еще больше снизить энергопотребление, Intel разработала специальные процессоры Pentium. Они встраиваются не в обычные корпуса, а в новый пленочный корпус (Tape Carrier Packaging - TCP). Процессор не устанавливается в керамический или пластиковый корпус, а покрывается тонкой защитной пластиковой пленкой. Процессор очень тонок (менее 1 мм, или в два раза тоньше монеты в 10 центов) и весит меньше 1 г. Производителям компьютеров эти процессоры продаются в катушках. Процессор в корпусе TCP припаивается непосредственно на системную плату специальным устройством, и, поскольку он легче, а его корпус меньше, улучшается распределение температуры и снижается энергопотребление. Специально впаянные разъемы на плате, расположенной прямо под процессором, в портативных компьютерах прекрасно охлаждаются и без вентиляторов.
В Pentium, как и в процессоре 486, имеется встроенный сопроцессор. Однако работает он в 2-10 раз быстрее, и при этом сохраняется совместимость с сопроцессорами 486 и 387. Кроме того, как уже отмечалось, два конвейера процессора выполняют математические операции над целыми числами - сопроцессор же предназначен для более сложных расчетов. В других процессорах, например в 486-м, всего один конвейер, значит, и один математический сопроцессор.