Процессоры Intel
Когда компания IBM разрабатывала первый компьютер PC, в качестве стандартного микропроцессорного модуля для своей конструкции она выбрала микропроцессор Intel 8088 и поддерживающий его микропроцессорный набор. Это решение было совершенно естественным, поскольку один из основных конкурентов компании IBM (Apple) использовал в своих конструкциях микропроцессоры Motorola. Выбор микропроцессоров производства компании Intel продолжает оказывать влияние на конструкции PC-совместимых систем. Фактически, в подавляющем большинстве PC-совместимых микрокомпьютеров использовались процессоры Intel 8088/86, 80286, 80386, 80486 Pentium (80586 и 80686).
Популярность первых компьютеров PC, PC-XT и РС-АТ (и разработанного для них программного обеспечения) привела к ряду ограничений, накладываемых на новые микропроцессоры с целью обеспечения совместимости с микропроцессорами, которые использовались ранее в этих системах. Популярность этих микропроцессоров настоль велика, что это привело к образованию рынка клонов микропроцессоров, конструкция которых имитирует конструкцию процессоров Intel.
Процессор Pentium
Процессор Pentium был разработан вслед за микропроцессором 80486, и он сохраняет совместимость с другими микропроцессорами 80x86. Когда компания представила процессор Pentium, она отказалась от ранее используемого соглашения «80x86». Это было сделано с целью защиты названия в соответствие с законом об охране авторских прав (числа не подпадают под действие этого закона), а также с целью помешать другим компаниям-изготовителям микропроцессорных клонов воспользоваться тем же соглашением по наименованию. Поэтому название 80586 и превратилось в Pentium.
Первоначальный процессор Pentium был 32/64-разрядным микропроцессором, помещенным в керамический корпус с матричным расположением штырьковых выводов.
Регистры микропроцессора и модуля обработки чисел с плавающей точкой процессора Pentium идентичны соответствующим регистрам процессора 80486. Процессор содержит 64-разрядную шину данных, которая позволяет выполнять передачу данных учетверенной длины (или QWord). Процессор Pentium содержит также два отдельных кэша емкостью по 8 Кб (по сравнению с одним кэшем в процессоре 80486). Один из кэшей используется для инструкций или кода, а второй — для данных. Внутренняя архитектура процессора Pentium напоминает расширенную форму процессора 80486. Модуль обработки чисел с плавающей точкой работает в пять раз быстрее аналогичного модуля процессора 80486.
Процессор Pentium называют суперскалярным микропроцессором, поскольку его архитектура допускает одновременное выполнение нескольких инструкций. Это достигается при помощи конвейерного процесса, в котором используется несколько слоев для ускорения выполнения инструкций. В каждом слое конвейера выполняется часть действий по выполнению инструкции, причем все операции должны быть завершены в одном слое до того, как их можно будет передать в следующий слой. Эта технология позволяет последовательной цепи выполнять специфичную функцию в каждом слое конвейера, что ведет к сокращению времени выполнения. Когда инструкция передается из одного слоя в другой, новая инструкция перемещается в освободившийся слой. Процессор Pentium имеет два раздельных конвейера, которые могут работать одновременно. Первый называется конвейером U, а второй — конвейером V.
Архитектура первоначального прЪцессора Pentium была разработана в ходе разработки трех поколений этих процессоров. Конструкция первого поколения, которая получила кодовое наименование Р5, имела 273-контактный корпус с матричным расположением штырьковых выводов (pin grid array, PGA) и работала с тактовыми частотами 60 или 66 МГц. В этом процессоре использовалось одно питающее напряжение +5 В постоянного тока, в результате чего процессор потреблял много электроэнергии и генерировал значительное количество тепла. Поэтому обычно требовалось использовать дополнительный вентилятор охлаждения процессорного блока.
Второе поколение процессоров Pentium, получивших название Р54С, выпускалось в 256-контактных корпусах SPGA {Staggered Pin Grid Array — шахматное матричное расположение штырьковых выводов). Различные версии этих процессоров работали с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 и 166 МГц. Чтобы снизить энергопотребление и повысить быстродействие, компания Intel снизила напряжение питания этих процессоров до +3.3 В постоянного тока. Снижение уровня питающего напряжения позволило сблизить высокий и низкий логические уровни. А это, в свою очередь, привело к уменьшению времени переключения с одного уровня на другой. Использование корпуса SPGA сделало второе поколение процессоров Pentium несовместимым с системными платами первого поколения.
Кроме того, для повышения производительности в процессорах второго поколения применялись внутренние умножители тактовой частоты. При этом шины системы работали с частотой тактового сигнала, поступающего на вход микропроцессора. Однако внутренний умножитель заставлял микропроцессор работать с частотой, кратной частоте внешнего тактового генератора. (Т.е., в действительности процессор Pentium, внешняя тактовая частота которого равна 50 МГц, а коэффициент внутреннего умножителя равен 2х, работает с частотой 100 МГц).
В основном, во всех микропроцессорах Pentium используются внешние тактовые частоты, равные 50, 60 или 66 МГц. Коэффициент умножения внутреннего умножителя устанавливался внешними аппаратными перемычками на системной плате.
В третьем поколении конструкций Pentium, названном Р55С, используются 296-контактные корпуса SPGA. Этот корпус соответствует спецификации 321-контактного гнезда Socket 7, разработанной компанией Intel. Процессоры Р55С выпускаются в версиях, которые работают с тактовыми частотами 166, 180, 200 и 233 МГц. Это поколение процессоров Pentium работают с напряжениями, которые не превышают уровень +3.3 В, установленный в процессорах второго поколения. Процессоры Р55С известны под названием Pentium ММХ (MultiMedia extension — мультимедийное расширение).
Усовершенствованные архитектуры процессоров Pentium
Компания Intel продолжила совершенствовать свою линию процессоров Pentium, представив дополнительные спецификации, в том числе процессоры Pentium ММХ, Pentium Pro, Pentium II и Pentium III.
Одновременно конкуренты компании Intel разработали конструкции клонов, характеристики которых соответствуют или даже превосходят характеристики версий компании Intel. В процессоре Pentium ММХ возможности обмена данными и обработки мультимедиа-информации первоначального процессора Pentium были расширены за счет добавления в набор инструкций 57 специфичных мультимедийных инструкций.
Кроме того, компания Intel увеличила емкость встроенной в плату кэш-памяти первого уровня L1 до 32 Кб. Кэш-память была разделена на два отдельных кэша емкостью по 16 Кб: кэш инструкций и кэш данных. Типовый кэш второго уровня L2, использовавшийся в процессорах ММХ, имел размер равный 256 Кб или 512 Кб.
В процессорах ММХ в конвейер выполнения целочисленных инструкций был добавлен дополнительный слой, предназначенный специально для выполнения мультимедийных инструкций. Этот интегрированный слой быстро обрабатывает инструкции ММХ и целочисленные инструкции. В процессоре была реализована также усовершенствованная схема предсказания ветвления, которая обеспечивает большую точность предсказания и тем самым обеспечивает повышение скорости обработки. Четыре буфера предварительной загрузки в процессоре ММХ могли хранить до четырех последовательных потоков кода. Четыре буфера записи совместно использовались двумя конвейерами, повышая производительность записи в память процессора ММХ.
Процессоры Pentium ММХ выпускались в версиях, работающих с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц, и в них использовался 321-контактный корпус SPGA Socket 7. Для их работы требовалась подача двух различных питающих напряжений. Один источник использовался для обеспечения работы ядра процессора Pentium, а второй — для подачи напряжения питания на контакты ввода/вывода процессора.
Pentium Pro
Компания Intel не ограничилась простым повышением тактовых частот своей линии процессоров Pentium и представила процессор Pentium Pro. Хотя этот процессор был совместим с программным обеспечением, созданным ранее для линии процессоров Intel, он был оптимизирован для выполнения 32-разрядных программ.
Однако, по конструкции выводов процессоры Pentium Pro не остались совместимыми с предшествующими процессорами Pentium. Вместо этого компания Intel создала 387-контактный корпус PGA с размерами 2.46 х 2.66 дюймов для монтажа ядра процессора Pentium Pro и встроенный в плату кэш L2 емкостью 256 Кб (или 512 Кб). Кэш L2 дополняет кэш L1 емкостью 16 Кб, встроенный в ядро Pentium. Обратите внимание, что хотя оба эти устройства монтируются в одном и том же корпусе PGA, оба компонента не являются встроенными в одну и ту же ИС. Модуль закрывается позолоченным медным/ вольфрамовым теплоотводом.
Встроенная в плату кэш-память L2 хранит наиболее часто используемые данные, для которых не нашлось места во внутреннем кэше L1 процессора, максимально близко от ядра процессора, не будучи встроенной непосредственно в ИС. Модули процессора и кэша связаны шиной кэша, обладающей высокой пропускной способностью. Шина (длина которой составляет 0.5 дюйма) позволяет процессору и внешнему кэшу обмениваться данными со скоростью равной 1.2 Гбит/с.
Процессор Pentium Pro разработан так, чтобы он мог использоваться в типичных однопроцессорных приложениях или многопроцессорных средах, таких как высокоскоростные, имеющие дело с большими объемами данных серверы данных или рабочие станции. Было разработано несколько двухпроцессорных системных плат, в которых применяются сдвоенные процессоры Pentium Pro. Эти платы имеют два гнезда для установки процессоров Pentium Pro и могут работать с одним или со сдвоенными процессорами. При установки сдвоенных процессоров логическая схема в ядре процессора Pentium Pro управляет запросами на доступ к системной памяти и к 64-разрядным шинам.
Pentium II
Компания Intel радикально изменила форм-фактор процессоров Pentium, поместив процессор Pentium II в картридж с односторонним расположением контактов (single-edge contact, SEC). В этом картридже используется специальный механизм крепления процессора, встроенный в системную плату.
Запатентованная конструкция 242-контактного гнезда получила название спецификации Slot 1 и была разработана, чтобы микропроцессор мог работать с тактовыми частотами шины, которые превышают 300 МГц.
Картридж требует также использования специального модуля радиатора вентилятора (fan heat sink, FH.S) и вентилятора. Подобно картриджу SEC, модуль FHS нуждается в специальном механизме крепления. Подача напряжения питания на вентилятор осуществляется от специального соединителя электропитания на системной плате или от одного из дополнительных соединителей блока питания.
Внутри картриджа расположена подложка, на которой монтируются процессор и связанные с ним компоненты. Компонентами являются ядро процессора Pentium II, ОЗУ дескрипторов и групповое статическое ОЗУ L2. ОЗУ дескриптора используется для отслеживания атрибутов (прочитанные, измененные и т.п.) данных, сохраняемых в кэш-памяти.
Второй тип картриджей, названный односторонним корпусом процессора (single-edged processor package, SEPP), был разработан для использования в гнездах Slot 1. В этой конструкции помещенный в отсек процессор не закрыт полностью пластмассовым корпусом, как это имеет место в конструкции SECC. С тыльной стороны корпуса SEPP имеется доступ к микросхеме процессора.
Функционирование процессоров Pentium Pro и Pentium II может быть изменено путем загрузки обновленной информации процессора в BIOS, которая имеет встроенные функции Application Programming Interface (программный интерфейс приложений, API). Компании-изготовители помещают обновленную информацию на свои Web-сайты, откуда клиенты могут выгружать ее. Пользователь переносит обновленную информацию с диска с обновлением в BIOS системы через API. Если обновленные данные важны (что выясняется в процессе проверки кода каскадирования процессора), API записывает обновленный микрокод в BIOS. Затем эта информация будет загружаться в процессор при каждой начальной загрузки системы.
Pentium III
Компания Intel продолжила линию процессоров Pentium II, выпустив новую конструкцию, совместимую со спецификацией Slot 1, которая получила название Pentium III. Первоначальный процессор Pentium III (имевший кодовое имя Katmai) был разработан с использованием ядра Pentium II, но размер его кэшпамяти L2 был увеличен до 512 Кб. Кроме того тактовая частота процессора была увеличена до 600 МГц при тактовой частоте внешней шины, составляющей 100 МГц.
Вслед за Pentium III компания Intel выпустила более дешевую версию этого процессора, которую назвала Pentium Celeron. В отличие от оригинального процессора Pentium III, в процессоре Celeron тактовая частота равна только 66 МГц, а емкость кэш-памяти L2 составляет только 128 Кб. Первоначально процессор Celeron Mendocino выпускался в картридже SECC. Впоследствии были разработаны версии процессоров Pentium III и Celeron для спецификации Socket 370, разработанной компанией Intel. В этой конструкции снова использовался 370-контактный корпус SPGA, оснащенный соединителем с нулевым усилием сочленения (ZIF).
Первые версии процессоров Pentium III и Celeron, монтируемые в корпуса с матричным расположением штырьковых выводов, соответствовали стандарту, который получил название Plastic Pin Grid Array (пластмассовый корпус с матричным расположением штырьковых выводов, PPGA) 370. Конструкция PPGA была разработана для создания недорогих, характеризующихся средней производительностью систем Pentium. Максимальная тактовая частота процессоров этой конструкции составляла 533 МГц при частоте внешней шины 66 МГц.
Intel модернизировала спецификацию Socket 370, выпустив версию, которая была названа конструкцией Flip Chip Pin Grid Array (корпус с матричным расположением штырьковых выводов и с «перевернутым» кристаллом, FC-PGA) 370. Компания Intel внесла небольшие изменения в разводку контактов гнезда, чтобы она соответствовала конструкции процессора Pentium III. Кроме того, была использована новая 0.18-микронная технология изготовления ИС, обеспечивающая более высокие тактовые частоты процессора (до 1.12 ГГц) и внешней шины (100 МГц и 133 МГц). Однако новая конструкция имела кэш L2 емкостью только 256 Кб. Процессоры Pentium III и Celeron, при изготовлении которых использовалась 0.18-микронная технология, называются, соответственно, процессорами Coppermine и Coppermine 128. (Емкость кэша L2 в процессорах Coppermine 128 составляет только 128 Кб). В будущих версиях процессоров Coppermine предполагается использовать 0.13-микронную технологию изготовления ИС, что должно позволить достичь тактовых частот вплоть до 1.4 ГГц.
Компания Intel представила также спецификацию Slot 2 с краевым расположением выводов, в которой схема установки процессора в нишу, использованная в конструкции Slot 1, была расширена до 330 контактов. Для конструкции Slot 2 компания Intel разработала три версии процессоров Pentium III, которые были названы процессорами Pentium Xeon. Каждая версия отличается размером своей кэш-памяти L2 (512 Кб, 1 Мб и 2 Мб). Конструкции Xeon были выпущены с целью удовлетворения потребностей различных высокопроизводительных серверов.
