Процессоры Intel - как устроены и основные принципы

Следующая статья: Процессоры AMD - как устроены и основные принципы

Содержание

• Первые процессоры Intel
• Таблица с характеристиками процессоров Intel, Cyrix, AMD
• Таблица с характеристиками процессоров Intel
• Ядро Core
• Pentium Pro (1 ноября 1995 года )
• Pentium Р55 (Pentium ММХ)
• Pentium II (7 мая 1997 года)
• Pentium lll (26 февраля 1999 года)
• Pentium IV (Willamette, 2000 года; Northwood, 2002 года)
• Pentium IV Prescott (февраль 2004 года)
• Проблемы архитектуры NetBurst
• Smithfield
• Процессоры Pentium Хеоn
• Itanium (архитектура IA-64)
• Таблица основных различий архитектур IA-32 и IA-64

Первые процессоры Intel

В таблице кратко охарактеризованы основные ранние этапы развития процессоров Intel и их аналогов. Здесь же мы далее перейдем к рассмотрению процессоров Pentium.

Pentium - пятое поколение МП 22 марта 1993 года

Pentium представляет собой суперскалярный процессор с 32-битовой адресной шиной и 64-битовой шиной данных, изготовленный по субмикронной технологии с комплиментарной МОП-структурой и состоящий из 3.1 миллионов транзисторов (на площади в 16.25 квадратных сантиметров). Процессор включает следующие блоки.

Таблица с характеристиками процессоров Intel, Cyrix, AMD

Таблица с характеристиками процессоров Intel

Ядро Core

Основное исполнительное устройство. Производительность МП при тактовой частоте 66 МГц составляет около 112 миллионов команд в секунду (MIPS). Пятикратное повышение (по сравнению с 80486 DX) достигалось благодаря двум конвейерам, позволяющим выполнить одновременно несколько команд. Это два параллельных 5-ступенчатых конвейера обработки целых чисел, которые позволяют читать, интерпретировать, исполнять две команды одновременно.

Микропроцессоры Intel и AMD

• а - Pentium ММХ, интерфейс Socket 7;
• б - Celeron, упаковка Single Edge Processor Package (SEPP)/Slot 1;
• в - AMD Athlon (формат Slot А);
• г - основные компоненты процессора Pentium

Команды над целыми числами могут выполняться за один такт синхронизации. Эти конвейеры неодинаковы: U-конвейер выполняет любую команду системы команд семейства 86; V-конвейер выполняет только «простые» команды, то есть команды, которые полностью встроены в схемы МП и не требуют микропрограммного управления (microcode) при выполнении.

Для постоянной загрузки этих конвейеров из кэш-памяти требуется широкая полоса пропускания. Естественно, для отмеченного случая совмещенный буфер команд и данных не подходит. Pentium имеет разделенный буфер команд и данных - двухвходовые (атрибут RISC-процессоров). Обмен данными через кэш данных выполняется совершенно независимо от процессорного ядра, а буфер команд связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Каждая кэш-память имеет емкость 8 Кбайт, и они допускают одновременную адресацию. Поэтому программа в одном такте синхронизации может извлечь 32 байта (256 : 8 = 32) команд и произвести два обращения к данным (32 х 2 = 64).

Предсказатель переходов (Branch Predictor)

Пытается угадать направление ветвления программы и заранее загрузить информацию в блоки предвыборки и декодирования команд.

Буфер адреса переходов (Branch Target Buffer ВТВ)

Буфер адреса переходов обеспечивает динамическое предсказание переходов. Он улучшает выполнение команд путем запоминания состоявшихся переходов (256 последних переходов) и с опережением выполняет наиболее вероятный переход при выборке команды ветвления. Если предсказание верно, то эффективность увеличивается, а если нет, то конвейер приходится сбрасывать полностью. Согласно данным Intel, вероятность правильного предсказания переходов в процессорах Pentium составляет 75-90 %.

Блок плавающей точки (Floating Point Unit)

Выполняет обработку чисел с плавающей точкой. Обработка графической информации, мультимедиа-приложений и интенсивное использование персонального компьютера для решения вычислительных задач требуют высокой производительности при выполнении операций с плавающей точкой. Аппаратная реализация (вместо микропрограммной) основных арифметических операций (+, х и /) выполняется автономными высокопроизводительными блоками, и 8-ступенчатый конвейер позволяет выдавать результаты через каждый такт.

Кэш-память 1-го уровня (Level 1 cache

Процессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, 1-й - для команд, 2-й - для Данных, которые обладают большим быстродействием, чем более емкая внешняя кэш-память (L2 cache).

Интерфейс шины (Bus Interface

Передает в центральный процессор поток команд и данных, а также передает данные из центрального процессора.

В процессоре Pentium введен режим управления системой SMM (System Management Mode). Этот режим дает возможность реализовывать системные функции очень высокого уровня, включая управление питанием или защиту, прозрачные для ОС и выполняющихся приложений.

Pentium Pro (1 ноября 1995 года )

Pentium Pro (шестое поколение МП) имеет три конвейера, каждый из которых включает 14 ступеней. Для постоянной загрузки имеется высокоэффективный четырехвходовый кэш команд и высококачественная система предсказания ветвлений на 512 входов. Дополнительно для повышения производительности была применена буферная память (кэш) второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в корпусе центрального процессора. В результате стала возможной эффективная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блока целочисленной арифметики; блок чтения (load); блок записи (store); FPU (Floating-Point Unit - устройство арифметических операций с плавающей точкой).

Pentium Р55 (Pentium ММХ)

8 января 1997 года Pentium ММХ -версия Pentium с дополнительными возможностями. Технология ММХ должна была добавить/расширить мультимедийные возможности компьютеров. ММХ объявлен в январе 1997 года, тактовая частота 166 и 200 МГц, в июне того же года появилась версия 233 МГц. Технологический 0.35-мкм процесс, 4.5 миллионов транзисторов.

Pentium II (7 мая 1997 года)

Процессор представляет собой модификацию Pentium Pro с поддержкой возможностей ММХ. Была изменена конструкция корпуса - кремниевую пластину с контактами заменили на картридж, увеличена частота шины и тактовая частота, расширены ММХ-команды. Первые модели (233-300 МГц) производились по 0.35-мкм технологии, следующие - по 0.25-мкм. Модели с частотой 333 МГц выпущены в январе 1998 года и содержали 7.5 миллионов транзисторов. В апреле того же года появились версии 350 и 400 МГц, а в августе - 450 МГц. Все Р2 имеют кэш второго уровня объемом 512 Кбайт. Есть также модель для ноутбуков - Pentium II РЕ, а для рабочих станций - Pentium II Хеоn 450 МГц.

Pentium lll (26 февраля 1999 года)

РЗ - один из самых мощных и производительных процессоров Intel, но в своей конструкции он мало чем отличается от Р2, увеличена частота и добавлено около 70 новых команд (SSE). Первые модели объявлены в феврале 1999 года, тактовые частоты - 450.500, 550 и 600 МГц. Частота системной шины 100 МГц, 512 Кбайт кэша второго уровня, технологический 0.25-мкм процесс, 9.5 миллионов транзисторов. В октябре 1999 года также выпущена версия для мобильных компьютеров, выполненная по 0.18-мкм технологии с частотами 400.450, 500.550, 600.650, 700 и 733 МГц. Для рабочих станций и серверов существует РЗ Хеоn, ориентированный на системную логику GX с объемом кэша второго уровня 512 Кбайт, 1 Мбайт или 2 Мбайт.

Pentium IV (Willamette, 2000 года; Northwood, 2002 года)

Семейства Pentium II, Pentium III и Celeron имеют одинаковое строение ядра, отличаясь в основном размером и организацией кэша второго уровня и наличием набора команд SSE, появившегося в Pentium III.

Достигнув частоты в 1 ГГц, Intel столкнулась с проблемами в дальнейшем наращивании частоты своих процессоров - Pentium III на 1.13 ГГц даже пришлось отзывать в связи с его нестабильностью.

Процессоры Pentium IV

• a - Willamette, 0.18 мкм;
• б - Northwood, 0.13 мкм;
• в - Prescott, 0.09 мкм;
• г - Smithfield (2 х Prescott 1М)

Проблема в том, что латентности (задержки), возникающие при обращении к тем или иным узлам процессора, в Р6 уже слишком велики. Таким образом появился Pentium IV - в его основе лежит архитектура, названная Intel NetBurst architecture.

Архитектура NetBurst имеет в своей основе несколько инноваций, в комплексе позволяющих добиться конечной цели - обеспечить запас быстродействия и будущую наращиваемость для процессоров семейства Pentium IV. В число основных технологий входят:

• Hyper Pipelined Technology - конвейер Pentium IV включает 20 стадий;
• Advanced Dynamic Execution - улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования (out of order execution);
• Trace Cache - для кэширования декодированных команд в Pentium IV используется специальный кэш;
• Rapid Execute Engine - ALU процессора Pentium IV работает на частоте, вдвое большей, чем сам процессор;
• SSE2 - расширенный набор команд для обработки потоковых данных;
• 400 МГц System Bus - новая системная шина.

Pentium IV Prescott (февраль 2004 года)

В начале февраля 2004 года Intel анонсировала четыре новых процессора Pentium IV (2.8; 3.0; 3.2 и 3.4 ГГц), основанных на ядре Prescott, которое включает ряд нововведений. Вместе с выпуском четырех новых процессоров Intel представила процессор Pentium IV 3.4 ЕЕ (Extreme Edition), основанный на ядре Northwood и имеющий 2 Мбайт кэш-памяти третьего уровня, а также упрощенную версию Pentium IV 2.8 А, основанную на ядре Prescott с ограниченной частотой шины (533 МГц).

Prescott выполнен по технологии 90 нм, что позволило уменьшить площадь кристалла, причем число транзисторов было увеличено более чем в 2 раза. В то время как ядро Northwood имеет площадь 145 квадратных миллиметров и на нем размещено 55 миллионов транзисторов, ядро Prescott имеет площадь 122 квадратных миллиметров и содержит 125 миллионов транзисторов.

Перечислим некоторые отличительные особенности процессора.

Новые SSE-команд

Intel представила в Prescott новую технологию SSE3, которая включает 13 новых потоковых команд, которые увеличат производительность некоторых операций как только программы начнут их использовать. SSE3 является не просто расширением SSE2, так как добавляет новые команды, но и позволяет облегчить и автоматизировать процесс оптимизации готовых приложений средствами компилятора. Другими словами, разработчику программного обеспечения не надо будет переписывать код программы, необходимо будет только перекомпилировать ее.

Увеличенный объем кэш памят

Одним из важнейших (с точки зрения производительности) дополнений можно считать увеличенный до 1 Мбайт кэш второго уровня. Объем кэш-памяти первого уровня также был увеличен до 16 Кбайт.

Улучшенная предвыборка данны

Ядро Prescott имеет улучшенный механизм предвыборки данных.

Улучшенный Hyperthreadin

В новую версию включено множество новых особенностей, способных оптимизировать многопоточное выполнение различных операций. Единственный недостаток новой версии заключается в необходимости перекомпиляции программного обеспечения и обновления операционной системы.

Увеличенная длина конвейер

Для увеличения рабочей частоты будущих процессоров ядро Prescott имеет увеличенную с 20 до 31 ступени длину конвейера. Увеличение длины конвейера негативно сказывается на производительности в случае неправильного предсказания ветвлений. Для компенсации увеличения длины конвейера была улучшена технология предсказания ветвлений.

Проблемы архитектуры NetBurst

Выпуск ядра Prescott, для которого Intel использовала технологический 90-нм процесс, вскрыл ряд труднопреодолимых проблем. Первоначально NetBurst была объявлена специалистами Intel как архитектура с существенным запасом производительности, который со временем можно будет реализовать посредством постепенного наращивания тактовой частоты. Однако на практике оказалось, что увеличение тактовой частоты процессора влечет за собой неприемлемое возрастание тепловыделения и энергопотребления. Причем происходящее параллельно развитие технологии производства полупроводниковых транзисторов не позволяло эффективно бороться с ростом электрических и тепловых характеристик. В результате третье поколение процессоров с архитектурой NetBurst (Prescott) осталось в истории процессоров как одно из самых «горячих» (процессоры, построенные на этом ядре, могли потреблять и соответственно выделять до 160 Вт, получив кличку «кофеварки»), при том, что их тактовая частота не поднялась выше 3.8 ГГц. Высокое тепловыделение и энергопотребление вызвали множество смежных проблем. Процессоры Prescott требовали использования специальных материнских плат с усиленным стабилизатором напряжения и особых систем охлаждения с повышенной эффективностью.

Проблемы с высоким тепловыделением и энергопотреблением были бы не столь заметны, если бы не то обстоятельство, что при всем при этом процессоры Prescott не смогли продемонстрировать высокой производительности, благодаря которой можно было бы закрыть глаза на упомянутые недостатки. Заданный конкурирующими процессорами AMD Athlon 64 уровень быстродействия оказался для Prescott практически недостижимым, в результате этого данные центрального процессора стали восприниматься как провал Intel.

Поэтому не вызвало особого удивления, когда оказалось, что преемники NetBurst будут основываться на принципе эффективного энергопотребления, принятом в мобильной микроархитектуре Intel и воплощенном в семействе процессоров Pentium М.

Smithfield

По существу, ядро центрального процессора Smithfield - не более чем пара кристаллов Prescott 1М (90 нм), связанных вместе. Каждое ядро имеет собственную кэш-память L2 (1 Мбайт), к которой может обратиться другое ядро через специальную интерфейсную шину. Результат - кристалл 206 квадратных миллиметров, содержащий 230 миллионов транзисторов.

Все двухъядерные чипы настольных персональных компьютеров, как ожидается, будут поддерживать технологии, введенные в последние месяцы 2004 года как инновации Pentium 4 Extreme Edition - ЕМ64Т, E1ST, XD bit и Vandepool:

• технология «Увеличенная Память 64» (Enhanced Memory 64 - EM64T) обеспечивает расширения на 64 бита архитектуры х86; Enhanced Intel SpeedSTep (EIST) идентичен механизму, осуществленному в процессорах Intel мобильных персональных компьютеров, который позволяет процессору уменьшать его тактовую частоту, когда не требуется высокая загрузка, таким образом значительно сокращая нагрев центрального процессора и потребление мощности; XD bit - технология «невыполнимых битов» EXecute Disable Bit - NX-битов;
• Vandepool-технология Intel (также известна как технология виртуализации - VT) позволяет одновременно выполнять несколько операционных систем и приложений в независимых разделах памяти, при этом единственная компьютерная система функционирует как несколько виртуальных машин.

В мае 2005 года вышли три чипа Pentium D Smithfield со скоростями 2.8, 3.0 и 3.2 ГГц и номерами моделей 820.830 и 840 соответственно.

Pentium D. Первые чипы Pentium D, представленные в мае 2005 года были построены на 90-нм технологии Intel и имели номера моделей в ряду 800. Самый быстрый из выпущенных центральных процессоров имел скорость 3.2 ГГц. В начале 2006 года был выпущен образец Pentium D с номерами 900 и кодовым наименованием «Presler», изготовленный на технологическом 65-нм процессе Intel.

Чипы Presler включают пару ядер Cedar Mill. Однако, в отличие от предыдущего Pentium D Smithfield, здесь два ядра физически разделены. Включение двух дискретных кристаллов в единый пакет обеспечивает гибкость производства, позволяя использовать тот же самый кристалл как для одноядерного Cedar Mill, так и для двухядерного центрального процессора Presler. Кроме того, производственные расходы улучшаются, поскольку при обнаружении дефекта выбраковывается только один кристалл, а не двухядерный пакет.

Варианты изготовления 2-ядерных процессоров

• а - Smithfield;
• 6 - Presler

Новая технология позволила увеличить не только тактовую частоту, но также и число транзисторов на кристалле. Как следствие, Presler имеет 376 миллионов транзисторов сравнительно с 230 миллионов для Smithfield. В то же самое время размер кристалла был уменьшен c 206 до 162 квадратных миллиметров. В результате удалось увеличить кэш-память L2 Presler. В то время как его предшественник использовал две кэш-памяти L2 по 1 Мбайт, процессоры Presler включают модули кэш-памяти L2 по 2 Мбайта. Размещение нескольких ядер центрального процессора на одном кристалле имеет преимущество - кэш-память может работать при намного более высокой частоте.

К весне 2006 года самый быстрый объявленный чип основного направления Pentium D был моделью 950 с частотой 3.4 ГГц. Считается, что Pentium D будет последним процессором, несущим фирменный знак Pentium, основного изделия Intel с 1993 года

Процессоры Pentium Хеоn

В июне 1998 года Intel начинает выпускать центральный процессор Pentium 11 Хеоn, работающий на частоте 400 МГц. Технически Хеоn представлял собой комбинацию технологий Pentium Pro и Pentium II и был разработан, чтобы предложить повышенную эффективность, требуемую в критических приложениях для рабочих станций и серверов. Используя интерфейс Slot 2, Хеоn имели почти вдвое больший размер, чем Pentium II, прежде всего из-за увеличенной кэш-памяти L2.

В ранних образцах чип снабжался кэш-памятью L2 на 512 Кбайт или 1 Мбайт. Первый вариант был предназначен для рынка рабочих станций, второй - для серверов. Версия на 2 Мбайт вышла позже, в 1999 году Подобно центральному процессору Pentium II на 350-400 МГц, FSB (первичная шина) работала на частоте 100 МГц.

Основное усовершенствование сравнительно с Pentium II - кэш-память L2 работала на частоте ядра центрального процессора, в отличие от конфигураций на основе Slot 1, которые ограничивали кэш L2 половиной частоты центрального процессора, что позволяло Intel использовать более дешевую память Burst SRAM в качестве кэша, вместо того чтобы применять обычную SRAM.

Другое ограничение, которое удалось преодолеть посредством Slot 2, был «двухпроцессорный предел». При использовании архитектуры SMP (симметрический мультипроцессор) процессор Pentium II оказался неспособен поддерживать системы с более чем двумя центральными процессорами, в то время как системы, основанные на Pentium II Хеоn, могли объединять четыре, восемь или более процессоров.

В дальнейшем были разработаны различные системные платы и чипсеты для АРМ и серверов - 440GX был построен на базе основной архитектуры чипсета 440ВС и предназначен для рабочих станций, a 450NX, с другой стороны, был разработан в основном для рынка серверных применений.

Вскоре после выхода Pentium III весной 1999 года был выпущен Pentium III Хеоn (кодовое имя Tanner). Это был базовый Pentium Хеоп с добавлением нового набора команд Streaming SIMD Extensions (SSE). Нацеленный на рынок серверов и рабочих станций, Pentium III Хеоп первоначально выпускался на 500 МГц и с кэш-памятью L2 512 Кбайт (или 1.0-2.0 Мбайт). Осенью 1999 года Хеоn начал выпускаться с ядром «Cascade» (0.18 мкм), со скоростями, увеличивающимися от начальных 667 МГц до 1 ГГц к концу 2000 года

Весной 2001 года выпущен первый Хеоn на основе Pentium IV со скоростями 1.4, 1.5 и 1.7 ГГц. Базирующийся на ядре Foster, он был идентичен стандарту Pentium IV, за исключением разъема microPGA Socket 603.

Itanium (архитектура IA-64)

Данная архитектура была объявлена Intel в мае 1999 года Типичным представителем архитектуры является центральный процессор Itanium. Процессоры IA-64 располагают мощными вычислительными ресурсами, включая 128 регистров для целых чисел, 128 регистров с плавающей запятой, и 64 регистра предикации наряду с множеством регистров специального назначения. Команды должны группироваться для параллельного выполнения различными функциональными модулями. Набор команд оптимизирован, чтобы обеспечить вычислительные потребности криптографии, видеокодирования и других функций, которые все более необходимы следующим поколениям серверов и рабочих станций. В процессорах IA-64 также поддерживаются и развиваются ММХ-технологии и SIMD-расширения.

Архитектура IA-64 не является ни 64-битовой версией архитектуры Intel IA-32, ни адаптацией предложенной Hewlett-Packard архитектуры PA-RISC на 64 бита, а представляет собой полностью оригинальную разработку. IA-64 - это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми - существуют два режима декодирования команд - VLIW и CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения.

Основные инновационные технологии IA-64: длинные слова команд (long instruction words - LIW), предикаты команд (instruction predication), устранение ветвлений (branch elimination), предварительное чтение данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы «извлечь больше параллелизма» из кода программ.

Процессор Itanium

Таблица основных различий архитектур IA-32 и IA-64

Основная проблема архитектуры IА-64 заключается в отсутствии встроенной совместимости с х86 кодом, что не позволяет процессорам IA-64 эффективно работать с программным обеспечением, разработанным за последние 20-30 лет. Intel оборудует свои процессоры IA-64 (Itanium, Itanium 2 и так далее ) декодером, который преобразует инструкции х86 в команды IA-64.

Другие классы, основы и принципы процессоров читайте по ссылке

Видео: «КВН - Утренняя гимнастика»

Видео КВН - утренняя гимнастика