Процессоры пятого поколения класса Pentium

Процессоры Pentium фирмы Intel представляют пятое поколение процессоров семейства 80х86. По базовой регистровой архитектуре и системе команд они совместимы с вышеописанными 32-битными процессорами, но имеют 64-бит­ную шину данных, благодаря чему их иногда ошибочно называют 64-разряд­ными. По сравнению с предыдущими поколениями процессоры Pentium имеют следующие качественные отличия:

• Суперскалярная архитектура: процессор имеет два параллельно работаю­щих конвейера обработки (U-конвейер с полным набором и V-конвейер с несколько ограниченным набором инструкций), благодаря чему он спосо­бен одновременно выполнять две инструкции. Однако преимущества этой архитектуры полностью реализуются только при специальном режиме компиляции ПО.
• Применение технологии динамического предсказания ветвлений совмест­но с выделенным внутренним кэшем команд объемом 8 Кбайт обеспечи­вает максимальную загрузку конвейеров.
• Внутренний (Level 1) кэш данных объемом 8 Кбайт в отличие от 486 ра­ботает с отложенной (до освобождения внешней шины) записью и настра­ивается на режим сквозной или обратной записи, поддерживая протокол MESI.
• Внешняя шина данных ради повышения производительности имеет раз­рядность 64 бит, что требует соответствующей организации памяти.
• Встроенный сопроцессор за счет архитектурных улучшений (конвейериза­ции) в 2-10 раз превосходит FPU-486 по производительности.
• Введено несколько новых инструкций, в том числе распознавание семей­ства и модели CPU.
• Применено выявление ошибок внутренних устройств (внутренний конт­роль паритета) и внешнего интерфейса шины, контролируется паритет шины адреса.
• Введена возможность построения функционально избыточной двухпро­цессорной системы.
• Реализован интерфейс построения двухпроцессорных систем с симмет­ричной архитектурой (начиная со второго поколения Pentium).
• Введены средства управления энергопотреблением.
• Применена конвейерная адресация шинных циклов.
• Сокращено время (количество тактов) выполнения инструкций.
• Введена трассировка инструкций и мониторинг производительности.
• Расширены возможности виртуального режима — введена виртуализация флага прерываний.
• Введена возможность оперирования страницами размером 4 Мб (вмес­то 4 Кб) в режиме страничной переадресации (Paging).

Все Pentium-процессоры имеют средства SMM, возможности которых рас­ширялись по мере появления новых моделей.

Средства тестирования включают возможность выполнения встроенного теста BIST (Built-in Self Test), обеспечивающего выявление ошибок микрокодов, программируемых логических матриц, тестирование командной кэш-памяти, кэш-памяти хранения данных, буфера быстрой переадресации и ROM. Все про­цессоры имеют стандартный тестовый порт IEEE 1149.1, позволяющий тести­ровать процессор с помощью интерфейса JTAG.

В процессорах реализованы новые дополнительные средства отладки:

• Зондовый режим (Probe Mode), обеспечивающий доступ к внутренним регистрам и пространствам ввода/вывода и системной памяти процессора Pentium. Этот режим позволяет проверять и изменять состояние CPU, обеспечивая средства для отладки программ с возможностями, подобными внутрисхемным эмуляторам.
• Расширения отладки DE (Debug Extensions), позволяющие ставить конт­рольные точки по адресам ввода/вывода.
• Внутренние счетчики, используемые для текущего контроля производи­тельности и учета числа событий.
• Пошаговое исполнение с помощью команды CPUID.

Процессоры Pentium первого поколения (Р5) с тактовой частотой 60 и 66 МГц имели напряжение питания 5 В, что приводило к большому тепловыделению (на частоте 66 МГц — 16 Вт). Они выпускались в корпусах PGA-273 (матри­ца 21х21), для установки этих процессоров предназначен сокет типа 4.

В процессорах второго поколения применяется внутреннее умножение час­тоты, при этом интерфейсные схемы внешней системной шины работают на частотах 50, 60 или 66,66 МГц, а ядро процессора работает на более высокой частоте (75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 180 и 200 МГц). Разделение частот позволяет реализовать достижения технологии изготовления процессоров, су­щественно опережающие возможности повышения производительности памяти и других традиционных компонентов компьютера. Коэффициент умножения (1,5, 2, 2,5 или 3) задается комбинацией уровней сигналов в пределах, разрешенных спецификацией тактовой частоты процессора. Неза­висимость установки внешней частоты и коэффициента умножения позволяет одну и ту же внутреннюю частоту задавать разными способами. Напри­мер, 100 МГц можно получить и как 50х2, и как 66,66х1,5. Последний вариант в общем случае предпочтительнее, поскольку при этом шина PCI будет работать на частоте 33 МГц, а не 25 МГц. Однако бывают и исключения — если уста­новленная память при частоте 66 МГц потребует больше тактов ожидания, чем при 50 МГц, то предпочтительнее скорее всего будет частота 50 МГц.

Процессоры с различающимися значениями тактовых частот, указанных в маркировке на корпусе, выполняются по одним и тем же шаблонам (схемам) в пределах одной группы степинга (см. ниже). Маркировка частоты наносится после жестких отбраковочных испытаний в зависимости от частоты, на которой процессор полностью прошел выходной контроль. Это открывает возможности для «разгона» процессоров, включая и пиратскую перемаркировку, когда на про­цессор наносится новое обозначение завышенной тактовой частоты. Против пе­ремаркировки в некоторых моделях процессоров устанавливали специальные схемы, не допускающие разгона.

Pentium OverDrive 125, 150 и 166 МГц — вариант процессоров 2-го поколе­ния для замены Pentium 75, 90 и 100 МГц. От обычных эти процессоры в основном отличаются фиксированным (установленным внутри корпуса) коэф­фициентом умножения частоты. Эти процессоры предназначены для установки в сокет типа 5 или 7.

Pentium OverDrive 120 и 133 МГц (Overdrive for Pentium) — вариант процес­сора Pentium второго поколения (с пониженным энергопотреблением и удвое­нием частоты), предназначенный для замены процессоров Pentium первого поколения. Он имеет корпус PGA-273, устанавливаемый в сокет 4. Эти процес­соры дороже обычных Pentium 120 или 133, их применение имеет смысл только тогда, когда по каким-либо причинам нет возможности заменить старую сис­темную плату, а производительности Pentium 60 или 66 МГц недостаточно. Но более мощный процессор в такую плату все равно уже не поставить.

Процессоры Pentium MMX (P55C) — новое поколение процессоров, основан­ное на ММХ-технологии, которая ориентирована на мультимедийное, 2D- и ЗD-графическое и коммуникационное применение. В логическую архитектуру Pentium введены восемь 64-битных регистров, 4 новых типа данных и 57 до­полнительных мнемоник инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных SIMD (Single Instruction Multiple Data). Одновременно обраба­тываемое 64-битное слово может содержать как одну единицу обработки, так и 8 однобайтных, 4 двухбайтных или 2 четырехбайтных операнда. В остальных ко­мандах обеспечивается совместимость с Pentium. На самом деле, регистры MMX физически расположены в стеке регистров FPU, так что новых регистров этот процессор не предоставляет, и чередование использования программой инструк­ций FPU и MMX приводит к снижению эффективности работы, связанному с необходимостью пересылок данных из стека в память и обратно. Эффективность MMX вызывает некоторые сомнения, поскольку те функции, для которых они целесообразны, с успехом выполняются акселераторами графических карт, ко­торые стали уже обыденными.

Кроме ММХ-расширения, в архитектуре Pentium MMX имеется ряд усовер­шенствований, повышающих его производительность и на обычных операциях. Более эффективный способ предсказания ветвлений позаимствован у Penti­um Pro, удвоено количество буферов записи (их стало 4) и удвоен объем обеих частей кэша L1 (теперь 16+16 Кбайт), увеличено количество ступеней конвей­еров, улучшена возможность параллельных вычислений (процессор способен выполнять две SIMD-инструкции с 16-битными данными за 1 такт). Частоты ядра процессора (166, 200, 233, 266 МГц) при частоте внешней шины 66 МГц задаются несколько иными комбинациями сигналов BFO, BF1, соответствующих коэффициентам умножения 2,5, 3, 3,5 и 4.

В двухпроцессорных системах Pentium MMX поддерживает только симмет­ричную архитектуру, возможность функционально-избыточного контроля (FRC) изъята.

Применено раздельное питание ядра (напряжение 2,7-2,9 В, номинал 2,8 В) и интерфейсных схем (3,135-3,6 В, номинал 3,3 В). Процессор совместим по выводам с Pentium второго поколения с технологией VRT и устанавливается в сокет 7 (установка в сокет 5 механически возможна, но электрически недопус­тима).

Процессоры Pentium® OverDrive® Processor With MMX Technology — вариант процессоров MMX с тактовой частотой 150, 166, 180 и 200 МГц для замены обычных (не MMX) процессоров Pentium 75-200 МГц. Они отличаются фиксированным коэффициентом умножения частоты (3) и отсутствием возмож­ностей двухпроцессорных конфигураций. Эти процессоры имеют встроенный VRM и предназначены для установки в сокет типа 5 или 7 (хотя в сокет 7 дешевле установить «просто» MMX).

Процессоры Pentium для мобильных применений (блокнотных ПК) имеют по­ниженное энергопотребление, обеспеченное снижением напряжения питания ядра процессора. Они отличаются более высокой допустимой температурой, что позволяет их использовать в довольно тесных корпусах с плохими условиями вентиляции. Кроме того, из этих процессоров изъяты средства поддержки двух­процессорных систем, APIC и соответствующие им внешние выводы. Процес­соры этого класса кроме корпусов SPGA исполняются и в корпусах TCP, имеющих выводы, расположенные по периметру корпуса.

Процессоры Pentium, начиная со второго поколения, имеют специальные ин­терфейсные средства для построения двухпроцессорных систем. Интерфейс поз­воляет на одной локальной системной шине устанавливать два процессора, при этом почти все их одноименные выводы просто непосредственно объединяются. Целью объединения является либо использование симметричной мультипроцес­сорной обработки SMP (Symmetric Multi-Processing), либо построение функци­онально избыточных систем FRC (Functional Redundancy Checking).

В системе с SMP каждый процессор выполняет свою задачу, порученную ему операционной системой. Поддержку SMP имеют такие ОС, как Novell NetWare, Windows NT, OS/2, многие ОС семейства Unix. Оба процессора раз­деляют общие ресурсы компьютера, включая память и внешние устройства. В каждый момент времени шиной может управлять только один процессор из двух, по определенным правилам они меняются ролями.