Архитектура компьютера
(Организация вычислительных систем)
6. Занятие: Анализ развития процессоров фирмы Intel: семейство Pentium
На данном занятии рассматриваются организация и режимы работы процессоров семейства Pentium, SIMD-расширения архитектуры IA-32, микроархитектура NetBurst, приводится алгоритм инициализации ЭВМ на базе процессоров х86.
Цель: познакомить студентов с особенностями новых архитектурных решений: SIMD и NetBurst; сформировать знания о MMX- и SSE-инструкциях, о новых типах данных, сформировать умения и навыки правильного выбора и использования режима работы микропроцессора.
Организация и режимы работы процессоров семейства Pentium
С именем Pentium и Intel ассоциируется ряд новых технологий и стандартов. Необходимость повышенной скорости передачи данных привела к созданию шины PCI. Новые мультимедийные приложения и обработка в реальном масштабе времени с телевизионным качеством заставили пересмотреть интерфейс видеоконтроллера - появились технологии быстрого графического интерфейса DCI и вывода трехмерной графики 3D Render.
Процессор Pentium включает все особенности процессора Intel-486 и имеет ряд новых существенных черт, таких как:
суперскалярная архитектура, включающая два конвейера и позволяющая за один такт процессора выполнить более одной команды;
предсказание ветвлений в программе, что реализуется специальными логическими схемами, которые определяют точку передачи управления в программе и обеспечивают предварительную подготовку к выполнению определенных фрагментов программы;
конвейерное устройство для обработки данных с плавающей точкой (FPU);
раздельные кэш-памяти команд и данных емкостью 8 Кбайт каждая;
поддержка протокола обратной записи MESI (Modified/Exclusive/Shared/Invalid) для кэш-памяти данных;
64-разрядная ШД и 32-разрядная ША;
конвейеризация машинного цикла;
контроль на четность адреса и данных;
внутренний контроль на четность;
режим управления системой (System Management Mode).
В процессор Pentium встроены средства самотестирования и средства отладки программного обеспечения на основе механизма контрольных точек для останова процессора при выборе команд и обращений к данным.
Процессор Pentium включает полный набор команд процессора Intel-486 и содержит ряд новых команд, обеспечивающих расширение его функциональных возможностей.
Устройство управления памятью на кристалле процессора совместимо с процессорами Intel-386 и Intel-486. Два конвейера команд и устройство с плавающей точкой работают независимо. Имеется возможность выполнения двух команд в одном такте при обработке данных целого типа или одной, а иногда и двух простых команд с плавающей точкой.
Для предсказания ветвлений в программе процессор Pentium содержит два буфера предвыборки команд, один из которых обеспечивает предвыборку команд на линейном участке, а другой служит для предвыборки команд в соответствии с алгоритмом функционирования буфера целевого ветвления BTB (Branch Target Buffer). Это почти всегда позволяет осуществить предвыборку необходимой для выполнения команды.
Каждая кэш-память является двухканальной множественно-ассоциативной и имеет специальный буфер ассоциативной трансляции TLB (Translation Lookaside Buffer) для преобразования линейных адресов в физические. Кэш-память данных обеспечивает режим обратной (Writeback) или сквозной (Writethrough) записи строка за строкой и поддерживает протокол MESI.
Устройство управления памятью в процессоре Pentium поддерживает страницы до 4 Мбайт.