Многокристальные секционные мп
Первые многокристальные секционные МП появились в 1974г. Такие МП имеют модульную конструкцию и каждый модуль выполняет определенную функцию. Операционные устройства в таких МП состоят из отдельных секций процессорных элементов, которые могут быть 2х, 4х, 8 и 16-разрядными. Такие МП почти всегда с микропрограммным управлением, и в них можно изменять и разрядность, и систему команд.
Появление таких МП позволило разрабатывать ЭВМ с максимальным соответствием ее структуры характеру решаемых задач. На базе таких МП обычно разрабатывают специализированные МКЭВМ, в которых для МП требуется произвольная, чаще нестандартная разрядность. Типичный многокристальный секционный МП обычно состоит из 2х модулей:
А) модуля МПУУ (микропрограммного устройства управления)
Б) модуля ОУ (операционного устройства)
МПУУ
Операционное устройство (ОУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Оно собирается из процессорных элементов, каждый их которых содержит ДШМО, РОН, АЛУ, РА, РАд, блок регистров адреса и данных. Секции процессорных элементов работают параллельно, и длина их может произвольно наращиваться. Одной из особенностей таких секций является их вертикальное построение вместо горизонтального, что значительно повышает надежность таких устройств, т.к. требуется меньшее число передач кодов между отдельными микросхемами. Основное различие структур операционных устройств – степень параллелизма выполнения в них операций и микроопераций. Информация параллельно или последовательно может преобразовываться на различных уровнях. Возможно одновременное выполнение всех микроопераций над всеми аргументами по всем их форматам, с одновременной реализацией переносов между разрядами.
Для этого используется структура операционного устройства с применением многосекционного преобразователя, параллельного по разрядам действия с двусторонней управляемой связью, подключенной к числовым магистралям.
Отдельные секции объединяются в ОУ по управляющим сигналам, т.е. объединяются последовательно входы и выходы цепей переноса, левого и правого сдвигов цепей отдельных секций. Шины данных, адреса и кода операции объединяются параллельно в общую магистраль. По шине данных в секцию передается информация (операнды) из памяти и периферийных устройств ввода информации. Из секции результаты выдаются по выходной шине данных, а шина адреса используется для передачи адреса в память или периферийные устройства.
Кроме представленных на рисунках 1 и 2 блоков для построения МП необходим также регистр команд (РК), программный счетчик (СТК) и некоторые другие устройства.
Однокристальные мп
Серии Х86 фирмы Intel
МП 8086
Был выпущен в 1978г., содержал 29 тыс. транзисторов, выполнен по N-МОП технологии с толщиной кристалла 3 мкн, имеет 40-контактный корпус с одним источником питания +5В.
Стандартная тактовая частота 5МГц (4,77)
Шина данных, внутренние регистры, и системная шина – 16-разрядные. Шина адреса – 20-разрядная, что позволяет адресовать память емкостью в 1 Мб (220). Каждая команда в таком МП выполняется за 12 машинных тактов. Этот МП может выполнять 113 базовых команд, обрабатывать 8-ми и 16-разрядные операнды.
МП 8086 прямо адресует 256 портов ввода и 256 портов вывода информации. Функционально этот МП состоит из двух автономных устройств, которые работают асинхронно.
Это операционное устройство (устройство обработки) и шинный интерфейс (устройство сопряжения с магистралью).
Функциональная схема МП 8086
РОК - регистр очереди команд
УШ - устройство управления шинами
УС – устройство сопряжения
УС обеспечивает формирование 20-разрядного физического адреса памяти, выборку команд и операндов из памяти, организацию очередности команд и запоминание результатов выполнения команд в памяти. В его состав входит 6 8-ми разрядных регистров РОК, 4 16-разрядных сегментных регистра, (CS, DS, SS, ES), 16-разрядный сумматор адреса, 16-разрядный регистр команд, (IP), 16-разрядный регистр обмена и устройство управления шиной.
Устройство сопряжения готово выполнить цикл выборки из памяти каждый раз, когда в очереди команд освободится по меньшей мере 2 байта. Устройство обработки извлекает из РОК коды команд по мере необходимости. Очередь команд организована по принципу FIFO (первый пришел – первый вышел).
6 уровней РОК позволяют достаточно эффективно удовлетворить запросы устройства обработки, сокращая тем самым до минимума затраты времени МП на ожидание выборки команд из памяти. Выполнение команд происходит в логической последовательности, предписанной программой. В случае изменения хода выполнения программы УС очищает РОК, выбирает команду перехода, передает ее в устройство обработки и начинает новое заполнение РОК.
При возврате их подпрограммы или из прерывания происходит восстановление очереди команд. Если МП необходимо выполнить цикл записи или чтения, то выборка команд на время выполнения этого цикла приостанавливается. В состав МП 8086 входят 4 сегментных регистра CS, DS, ES, SS. В каждом из этих регистров хранятся 16 старших разрядов кода адреса соответствующего сегмента памяти. 20-ти разрядный физический адрес, который позволяет работать с памятью в 1 Мб образуется в сумматоре адреса путем сдвига базового адреса сегмента на 4 разряда влево и сложения его с 16-разрядным адресом смещения.
Этот МП выполняет 113 базовых команд, манипулирует с одним или с двумя операндами, а результат замещает один из операндов (чаще любой). Однопрограммный режим работы в пространстве памяти емкостью в 1 Мб назван реальным режимом работы и присутствует или эмулируется во всех последующих поколениях МП.
Т.к. МП 8086 в тот период времени были довольно дорогими и выходная (системная) шина была 16-разрядной, то такие МП не пользовались высоким спросом. В связи с этим в 1979 году фирмой Intel был выпущен МП 8088, который имел те же технические данные, что и 8086, но внешняя (системная) шина была 8-разрядная.
Именно этот МП (8088) Intel выбрала в 1981 году для выпуска своего первого PC. Он выполнял то же самое программное обеспечение, только немного медленней.
Одной из особенностей МП 8086, 8088 является применение в них (впервые) механизма сегментации памяти.
МП 286
МП 286 относится ко 2-му поколению 16-разрязрядных МП, появился он в 1981 году, и на его основе был создан компьютер класса АТ (IBM).
Этот МП содержит 134 тыс. транзисторов. В нем шина данных – 16 разрядов, системная шина и все внутренние регистры 16-разрядные. Шина адреса – 24-разрядная. Это значит, что максимальная емкость адресуемой памяти 16 Мб. Емкость виртуальной памяти до 1Гб. Питающее напряжение +5В.
Число уровней защиты 4. Тактовая частота в первых МП 286 – 6 МГц, затем ее повысили до 8 МГц и ее назвали стандартной для этого типа МП. Производители клонов МП повысили тактовую частоту до 10; 12,5; 16; и 20 МГц. Производительность такого МП на тактовой частоте в 6 МГц в 5-6 раз больше, чем 8086, работающего на той же тактовой частоте.
Каждая команда в МП 286 выполняется за 4,5 машинных такта. Основными режимами работы такого МП являются два режима: реальный и защищенный.
Этот МП содержит 4 основных блока:
- блок шины:
- блок адресов:
- блок команд:
- исполнительный блок.
Аппаратура МП обеспечивает эффективную, гибкую защиту памяти, контролирует доступ к ресурсам ОС, и имеет малое время реакции на прерывание.
В МП 286 используется конвейерный принцип выполнения команд.
Аппаратура МП обеспечивает эффективную, гибкую защиту памяти, контролирует доступ к ресурсам ОС, и имеет малое время реакции на прерывание.
В МП 286 используется конвейерный принцип выполнения команд. Все блоки МП работают одновременно, совмещая циклы обращения к памяти, вычисления адресов и контроля защиты, декодирования и выполнения команд. Блок шины передает информацию из своей очереди в устройство команд со скоростью 1 байт на цикл тактовой частоты.
Блоки команд декодируют и преобразуют формат полных команд и помещают их в очередь команд, ожидающих их выполнение.
Исполнительный блок содержит рабочие регистры, АЛУ и микропрограммные устройства управления, которое определяет последовательность внутренних микрокоманд.
Когда текущая команда близка к завершению, ПЗУ генерирует сигнал, по которому исполнительный блок принимает следующий адрес ПЗУ из очереди команд. Такой способ позволяет обеспечить постоянную занятость исполнительного блока.
В этом МП используется 4х-уровневый механизм защиты памяти, которые можно представить в виде 4х концентрических колец.
Наивысший приоритет имеет 0ой уровень, на котором расположены средства ОС. Он является недоступным для других программ.
Прикладные задачи размещаются на 3ем внешнем уровне. В большинстве МП два внутренних уровня практически не используются. Основным механизмом защиты является управляемый доступ к памяти, при котором каждой задаче предоставляется доступ к двум областям виртуальной памяти: одной – общей, а другой – частной. В соответствии с содержимым – глобальной и локальной дескрипторных таблиц.
В глобальной таблице перечисляются все сегменты, к которым могут обращаться все системные задачи лишь с учетом ограничений по уровням привилегированности, а в локальной таблице указываются сегменты, которые предоставляются только одной данной задаче.
Т.к. в каждую задачу локальная таблица входит как часть описания ее состояния, то ЭВМ, работающая в микропрограммном режиме, будет содержать много локальных дескрипторных таблиц.
Дескриптор для каждого сегмента содержит его базовый адрес, размер сегмента и поле прав доступа. Сегмент в МП 286 – это часть диапазона виртуальных адресов, длина которых может изменяться от 1 б до 64кб.
Виртуальный адрес состоит из селектора и смещения. Селектор – это индекс таблицы дескрипторов, хранящийся во внешней основной памяти. Смещение – это расстояние до нужного байта данных в указанном сегменте. Регистр признаков в МП 286 аналогичен регистру флагов 8086, хотя имеет дополнительный признак вложенности двухразрядный признак уровня привилегированности ввода-вывода.
Виртуальная память МП 286 представляет собой единое поле памяти для пользователя, которое включает емкость ОЗУ и жесткого диска.
Процессор МП 286 может работать в двух режимах, существенно отличающихся друг от друга: реальном и защищенном. В реальном режиме МП 286 эквивалентен 8086 и программно совместим с ним.
Это означает, что он может выполнять разработанные для 8086 (8088) программы и системные команды без всяких модификаций.
Реальный режим – это однопрограммный режим работы в пространстве памяти емкостью в 1 Мб.
Защищенный режим – это многопрограммный режим, при котором выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи своих областей памяти. В защищенном режиме, т.е. многопрограммном, МП доступна виртуальная память до 1Гб.
При своей работе процессор может адресовать только до 16 Мб основной памяти, и, если требуется память большая, чем есть в вычислительной системе, то используется режим свопирования (подкачки информации), это означает, что часть данных основной памяти процессор переписывает на жесткий диск, освобождая тем самым основную память для выполняемой программы, а те данные, которые б ближайшее время будут необходимы для работы МП, перебрасываются с жесткого диска в пространство основной памяти. Режим свопирования «прозрачен» для пользователя и выполняемой программы.
Распределением виртуальной памяти управляет ОС и встроенные узлы МП.
Одним из существенных недостатков МП 286 является то, что из реального режима работы в защищенный он может переходить автоматически, а из для перехода из защищенного режима в реальный требует горячей перезагрузки, т.е. сброса всей системы. Этот недостаток устранен в МП 386.
МП 386DX
Этот первый полностью 32-разрядный МП был выпущен в 1985г. Пик его популярности 1991. Такой МП содержит 275 тыс. транзисторов. Изготовлен по технологии 1 микрон. В нем ШД, ША, СШ и все внутренние регистры – 32-разрядные.
Максимальная емкость адресуемой памяти – 4 Гб, пространство адресуемой виртуальной памяти – 64 Тб. Число уровней защиты – 4.
Режимы работы: реальный, защищенный и виртуальный (виртуальный режим 86).
Количество тактов, затрачиваемых на выполнение каждой команды в среднем равно 4,5 (такое же, как в МП 286).
В реальном режиме он выполняет команды 86/88 в более короткое время. Этот МП автоматически переключается из реального режима в защищенный и обратно. В защищенном режиме МП 386 полностью совместим с защищенным режимом МП 286. Дополнение лишь то, что в МП 386 в защищенном режиме появляется новый диспетчер памяти MMU (memory management unit), за счет чего было достигнуто значительное повышение реальной производительности. С помощью этого диспетчера была организована страничная организация памяти. Нововведением в процессоре МП386 является виртуальный режим, в котором имитируется работа МП8086, т.е. одновременно могут работать несколько операционных систем и экземпляров DOS, используя для этого защищенные области памяти.
В МП 386 впервые появилась внешняя быстродействующая Кэш-память, которая используется наиболее эффективно в случае многократного обращения к одним и тем же данным. Этот внешний КЭШ обычно имеет небольшую емкость – от 64 Кб до 256Кб.
Микропроцессор 386 выполнен по КМОП-технологии
(технология с малым энергопотреблением).
Микропроцессор 386 состоит из 6 блоков, которые реализуют управление выполнением команд, сегментацию, страничную организацию памяти, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти блоки работают в виде конвейера, при чем каждый из них может выполнять свою конкретную функцию параллельно с другими. Это означает, что во время выполнения одной команды производится декодирование другой, а третья выбирается из памяти. В исполнительном блоке дополнительным средством повышения производительности микропроцессора служит специальный блок быстрого умножения и деления.
Блок страничной организации содержит блоки сегментации и страничной организации памяти. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных и эффективное распределение памяти между задачами. Страничный механизм организации памяти позволяет управлять физическим адресным пространством. Он работает на более низком уровне чем сегментный механизм и “прозрачен” для сегментации.
Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц. Память в микропроцессоре 386 организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гб. Каждая область адресного пространства памяти имеет связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип и характеристики защиты.
Защищенный режим микропроцессора 386 также полностью совместим с микропроцессором 286, но нужно помнить о том, что микропроцессор 386 обрабатывает не 16, а 32 разрядные операнды, поэтому программы выполняются намного быстрее. Виртуальный режим имитирует работу микропроцессора 8086, при этом несколько экземпляров DOS или других ОС могут работать одновременно, используя для этого защищенные области памяти. Сбой или зависание какой-либо одной программы не влияет на работу всей вычислительной системы. Регистр очереди команд в микропроцессоре 386 состоит не из 6 однобайтных регистров, а из 16.
Модификациями полностью 32-х разрядного микропроцессора 386 DX были микропроцессор 386 SX и 386SL. Микропроцессор 386 DX работал на тактовых частотах от 16-и до 33-х Мгц, а производители клонов таких микропроцессоров 40мгц. Он выпускался в 132 контактном корпусе, тактовая частота в 33мгц является стандартной для такого типа микропроцессоров. Внутренняя архитектура 386 SX полностью аналогична 386 DX, т.е. может одновременно обрабатывать32 разряда данных но внешняя системная шина в этих микропроцессорах 16 разрядная.
386 SX был выпущен позже, чем 386 DX , т.к. в этот период времени большинство компонентов вычислительной системы было рассчитано 16 разрядную внешнюю системную шину. Выпускались некоторые разновидности 386 SX и шины адреса в 24 бита, т.е. с максимальной адресуемой памятью 16 Мб. Другой версией 386 DX был 386SL. Этот микропроцессор был разработан для переносных компьютеров с малым потреблением энергии он обладает всеми возможностями 386 SX и также в нем размещены схемы управления энергопотреблением (SMI), а также предусмотрена поддержка расширенной памяти стандарта LIM и встроен кэш-контроллер для управления внешней кэш-памятью.
В результате этих усовершенствований такой микропроцессор стал содержать 855 тыс. транзисторов и его тактовая частота составила 25 Мгц. Сопроцессоры для 386 существуют двух разновидностей: для 386 DX - FPU 387 DX, а для 386 - FPU 387 SX.
МП 486
Этот МП относится ко второму поколению 32-разрядных МП. Производительность их в 2-4 раза выше, чем производительность МП 386 на одной и той же тактовой частоте.
Такое повышение производительности достигнуто вследствие следующих нововведений:
Уменьшилось время выполнения команд. В МП 486 каждая команда выполняется за два машинных такта, а в МП 486DX4 – за 1 машинный такт
В процессор введен внутренний КЭШ (или КЭШ первого уровня) и предусмотрены все необходимые средства для выполнения двухуровнего Кэширования. Внутренний КЭШ емкостью в 8 Кб является совмещенным, т.е. единым для команд и данных и работает на тактовой частоте самого МП.
В состав МП 486 введен внутренний сопроцессор, который является математическим высокопроизводительным сопроцессором. Он также работает на тактовой частоте самого МП, поэтому на выполнение математических операций затрачивается меньшее количество машинных тактов, чем в предшествующих FPU, работающих на той же тактовой частоте. Его производительность в 2-3 раза выше, чем производительность FPU 387
Повышена производительность СШ за счет введения пакетных циклов обмена информации с памятью, позволяющих передавать очередное слово данных в каждом такте шины, а не через несколько тактов, как прежде. Временная диаграмма, идеальная для такого обмена 2-1-1-1. Это означает, что стандартный обмен с памятью в 4 байта происходит за два машинных такта, после этого выполняются три следующих обмена, на каждый из которых затрачивается по 1 машинному такту вместо двух и считывается за 1 обращение 16 байт, т.е. по 4 байта 4 передачи.
Введены буферы отложенной записи (2)
В архитектуре МП 486 впервые применено создание RISC-ядра программными средствами, позволяющее наиболее часто встречающиеся операции выполнять за 1 машинный такт.
Введено умножение тактовой частоты СШ: для МП 486DX2 – в два раза для МП 486DX4 – в 2,5-3 раза
Модификации МП 486:
486DX (с внутренним сопроцессором и внутренней Кэш-памятью)
486SX (без внутреннего сопроцессора, возможен внешний)
486DX2
484DX4
МП 486DX
Выпущен в 1989 году. Питающее напряжение 5В, тактовые частоты 25, 33 и 50 МГц.
Выпускались в корпусе PGA 168 контактном, а затем появились пластиковые корпуса PQFP: 196-контактный с напряжением 5В и 208-контактные с 3,3В
Этот МП производится по технологии КМОП, в нем размещается 1,2 млн. транзисторов. На той же тактовой частоте его производительность в два раза выше, чем МП 386DX. В нем так же, как и в МП 386DX шина данных, системная шина, шина адреса все внутренние регистры 32-разрядные. Как и МП 386DX, он может адресовать до 4 Гбайт основной памяти и работать с виртуальной памятью до 64 Тб. ОН работает в реальном, защищенном и виртуальном режиме 86, производительность встроенного сопроцессора вдвое выше, чем производительность FPU387, поскольку он работает синхронно с основным процессором.
МП 486SX – дешевый вариант МП 486DX, т.к. он без внутреннего сопроцессора. Первая партия этих МП были обычными МП DX, но с дефектными сопроцессорами, и в первых МП 486SX необходимо было отключать сопроцессор на материнской плате. Затем были изготовлены микросхемы 487SX, которые фактически являлись процессором 486DXс тактовой частотой 25 МГц, к которому добавлен еще один вывод и изменены некоторые функции других выводов.
При установке в дополнительное гнездо этот МП отключает имеющийся на материнской плате МП 486SX. МП 487SX содержит сопроцессор, он выполняет все функции 486SX.
МП 487SX вставляется в гнездо, имеющее 169 выводов, и был промежуточным этапом для использования МП OverDrive, работающего на удвоенной тактовой частоте системной шины.
Установить МП 486DX в гнездо OverDrive невозможно. В мае 92 года Intel стала выпускать МП 486DX OverDrive сначала 169-контактные, а в конце года появились МП 486DX2 OverDrive со 168 – контактные для модернизации материнских плат с МП 486DX.
МП 486DX2 OverDrive выпускались со следующими тактовыми частотами – 40МГц (СШ 16 или 20), для ПК с тактовой частотой 50 МГц (СШ 25 МГц) ,и 66 МГц (СШ – 33 МГц)
Единственным устройством внутри микросхемы DX2, работающим на основной, неудвоенной частоте, является интерфейс шины, через который осуществляется связь МП с памятью и другими абонентами СШ
МП 486DX2 производится по технологии 0,8 микрона. Такой МП содержит (3 слоя) 1,1 млн. транзисторов.
МП 486DX4 увеличивают тактовую частоту СШ в 2,5-3 раза и имеют встроенный адаптер напряжения и теплоотвод. Питающее напряжение 3,3В.
Такие МП работали на тактовой частоте в 100-120 МГц
Pentium
В 1992 году Intel объявила о появлении МП 5-го поколения под кодовым названием Pentium. Это было сделано в связи с тем, что цифровые обозначения нельзя было применять в качестве торговой марки.
Главным отличием МП Pentium от всех предыдущих программно-совместимых с ним МП явилось наличие в нем двух секций обработки данных. Что позволило за 1 машинный такт обрабатывать 2 команды.
Intel возможность выполнения двух команд за 1 машинный такт назвала суперскалярной технологией и МП Pentium является одним из первых архитектуры CISC, которые можно считать суперскалярными. Благодаря этой технологии значительно повысилась производительность МП по сравнению с МП486DX. Две секции обработки данных обозначаются U и V. Секция U – основная, может выполнять все операции над числами с фиксированной и плавающей точкой. Секция V может выполнять только простые операции над целыми числами и ограниченно над числами с плавающей точкой.
Одновременное выполнение команд в разных секциях называется сдваиванием. Не все команды из последовательной программы допускают сдваивание. В этом случае выполняется только одна команда и используется секция U. Программным способом (методом компиляции при вводе программы) добиваются максимального количества сдвоенных команд, для того, чтобы наиболее эффективно использовать суперскалярность МП. Секции U и V являются взаимозависимыми, и при остановке одной из них прекращает работу и другая секция.
Для уменьшения простоев в одной или обеих секциях, вызванными задержками обработки команд в МП Pentium используется устройство, называемое Буфером Адресов Ветвлений (ВТВ – Branch Target Buffer), основное назначение которого предвидеть возможные переходы и предсказывать ветвления. Такой буфер обычно хранит данные о 256 переходах (переход – это изменение последовательности команд, составленных в соответствии с алгоритмом. Согласно статистике, переходы случаются в среднем, через каждые 6 команд.)
МП 5-го поколения включают в себя:
МП Pentium 1-го поколения, работающего на тактовой частоте 60-66 МГц
МП Pentium 2-го поколения (90-200 МГц)
МП PentiumММХ – 233 МГц
МП Pentium содержит 3,2 млн. транзисторов, они имеют трехслойную структуру и МП Pentium 1-го поколения выполнен по технологии 0,8 мкн, МП Pentium 2-го поколения – по технологии 0,6 мкн, а МП PentiumММХ – 0,35 мкн.
Все эти МП имеют внутренние регистры 32-разрядные, а шину данных, системную шину и шину памяти 64-разрядную. Шина адреса – 32 двоичных разряда. Максимальная емкость адресуемой памяти – 4 Гб, виртуальной памяти – 64 Тб. Питающее напряжение ≈3В.
МП Pentium 1-го и 2-го поколения имеют следующие особенности: внутренний КЭШ раздельный, по 8 Кб для команд и для данных.
В каждой ступени работает два конвейера. Число ступеней конвейера увеличено до 5.
МП Pentium оборудованы сопроцессором, который работает в 3-4 раза быстрее, чем внутренний сопроцессор в МП 486.
Новым средством в МП Pentium является также предсказание переходов. Для каждого КЭШ в МП Pentium предусмотрен ассоциативный буфер, основной задачей которого является преобразование логических адресов в физические.
МП Pentium ММХ
Впервые появился в 1997 году, внутренний КЭШ увеличен до 16 Кб каждый, он уже содержал 4,5 млн. транзисторов и работал на пониженном питании 2,8В.
В этот МП введен новый модуль ММХ, который предназначен для обработки данных мультимедийных приложений и в систему команд в связи с этим было включено 57 новых команд, предназначенных для работы с видео, аудио и графическими данными.
В этих МП был усовершенствован алгоритм работы Буфера Адресов Ветвлений (ВТВ).
Увеличена на 1 шаг длина конвейеров - 6 ступеней. Вдвое увеличено количество буферов отложенной записи (вместо 2х - 4)
Процессор ММХ имеет встроенный тест проверки работы. В основу технологии ММХ положен принцип SIMD, т.е. одна инструкция на несколько потоков данных. Суть его состоит в том, что много единиц информации можно обрабатывать одной командой одновременно, что значительно увеличивает производительность МП.
МП 6-го поколения
К ним относятся МП, начиная с МП Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, до архитектуры IA64.
Основными особенностями МП 6-го поколения являются следующие:
Динамическое исполнение команд
Архитектура двойной независимой шины
Улучшение суперскалярной архитектуры
Эти МП имеют следующие общие характеристики:
Внутренние регистры 32-разрядные, шина данных и системная шина – 64-разрядные, шина адреса – 36-разрядная. Максимальная емкость адресуемой памяти – 64 Гб. Пространство виртуальной памяти – 64 Тб. КЭШ первого уровня по-прежнему раздельный, увеличен до 16 Кб каждый. В каждом таком МП минимум 3 конвейера. Каждый из этих конвейеров 12 или 14 ступенчатый. (В МП Pentium IV – 20 ступеней).
Эти МП имеют средства для поддержки многопроцессорных систем, т.е. режима SMP и имеют внутренние средства, обеспечивающие самотестирование, отладку и мониторинг производительности.
Динамическое выполнение команд ликвидирует недостатки и зависимость от линейного выполнения команд. Упреждающие выполнения команд – это возможность процессоров выполнять команды с опережением фактического значения счетчика команд. Устройства диспетчера и УВК используют результаты предсказания ветвлений, благодаря этому удается с большой точностью прогнозировать поток и результаты команд, которые будут выполнены после нескольких команд ветвления.
Эти результаты сохраняются в буфере ветвлений и по мере необходимости извлекаются, несмотря на то, что устройством предсказания ветвлений их порядок был изменен. Их результаты записываются так, как это требуется при последовательном выполнении команд программы.
Но процессоры 6-го поколения выполняют эти программы значительно быстрее. Другим новшеством процессоров 6-го поколения является архитектура двойной независимой шины. В этом случае процессор имеет две отдельные шины – одну для системной шины, другую для КЭШ. Шина, по которой процессор обменивается информацией с Кэш-памятью, называется специализированной или выделенной. (Процессоры 5-го поколения имели только одиночную шину процессора на материнской плате, и все данные, включая передаваемые в КЭШ или из него, передавались по этой шине, и в этом случае быстродействие Кэш – памяти ограничивалось тактовой частотой системной шины).
Кэш-память в МП 6-го поколения, соединенная со специализированной шиной, может работать на любой тактовой частоте.
Pentium Pro
Впервые появился в 1995 году, у него уже не два, а три конвейера, каждый конвейер 14-ти ступенчатый. Он устанавливается в гнездо Socket8 и выполнен в двойном корпусе PGA (387-и контактном). В этом МП одновременно применяются статические и динамические версии предсказания ветвлений, и вероятность правильности предсказаний повысилась до 90% (80% у МП 5-го поколения). Особенностью этого МП является размещение Кэш-памяти второго уровня в одном корпусе с МП. Кэш-память второго уровня обычно 256 Кб, причем, если сам МП содержит 5,5 млн. транзисторов, то Кэш в 256 Кб содержит 15,5 млн. транзисторов, Кэш в 512 Кб – 32 млн. транзисторов, Кэш в 1 Мб – 68 млн. транзисторов.
Эта кэш-память второго уровня, встроенная в один корпус с МП, работает на тактовой частоте самого МП и не зависит от тактовой частоты системной шины. Эта кэш-память второго уровня значительно улучшает работу многозадачной системы; он поддерживает новую многопроцессорную структуру, которая называется MPS, позволяющая размещать на одной плате до 4 процессоров. Системные платы на базе таких МП поставляются с шинами PCI и ISA и используется для них набор Chipset, как 450GX и 440LX. Для этих МП была разработана новая материнская плата, которая получила название АТХ. Главное назначение новой конструкции – размещение процессора в область, свободную от плат расширения, что позволяет улучшить охлаждение МП. Эти МП работают с напряжением 3,3 или 3,1В.
Эти МП предназначаются для работы с мощными вычислительными средствами и прикладными программами высокого класса. Такой МП используется в качестве сервера.
Pentium II
Был представлен в 97году. Он был известен первое время под названием Klamath. Это тот же Pentium Pro, но в улучшенном варианте, и в отличие от Pentium Pro, в нем Кэш второго уровня устанавливалась не в одном корпусе с МП, а сконструирована на отдельной плате, на которой установлена микросхема МП и Кэш второго уровня. Эта плата заключена в корпус с односторонним контактом и большим теплоотводным элементом и устанавливалась в специальный разъем на материнской плате – Slot1, который внешне похож на слот памяти. В этом МП Кэш второго уровня в первых МП работала на половинной частоте МП, а начиная с Pentium II Xeon на тактовой частоте самого МП.
МП Pentium II содержал 7,5 млн. транзисторов, изготовлен по технологии 0,35мкн (последние – 0,25). Pentium II, работающий на частоте 450 МГц изготавливались по технологии 0,25мкн (начиная с частоты 333 МГц).
Pentium II работал в диапазоне тактовых частот 233-450 МГц (233, 266, 300, 350, 400, 450).
Начиная с МП с тактовой частотой в 350 МГц тактовая частота системной шины стала 100 МГц (была 66), напряжение питания уменьшилось до 2В.
Так же, как и в МП Pentium используется динамическое выполнение команд, реализована архитектура двойной независимой шины, притом архитектура этой шины была улучшена, и ее пропускная способность по сравнению с обычным МП Pentium увеличена почти в 3 раза.
Шина системы Pentium II может поддерживать до 2х микропроцессоров. В будущем наборы микросхем системной логики будут способны организовать работу 4х и более процессоров Pentium II.
Специально для серверов имеются МП Pentium II с кодами коррекции ошибок в Кэш-памяти второго уровня (контроль ЕКК).
Для разных моделей Pentium II требуется различное напряжение питания, поэтому устанавливаются преобразователи напряжения таким образом, чтобы обеспечить конкретному МП подачу конкретного напряжения.
Для МП Pentium II с тактовой частотой 350 и 400 МГц был выпущен набор Chipset440BX, который позволял устанавливать адресуемую память до 1 Гб и полностью ее кэшировать.
МП Pentium III
Это высокопроизводительный процессор для настольных ПК. В этом МП 9,5 млн. транзисторов. Изготовлен по технологии 0,25 мкн. Тактовая частота этих МП до 1 ГГц. Внутренняя Кэш-память – 32Кбайта (по 16 на данные и команды) и 512 Кбайт Кэш второго уровня, работающего на половинной или тактовой частоте МП. В этом МП Chipset позволяют Кэшировать до 4 Гбайт основной памяти. Шина адреса – 36 разрядов, отсюда максимальная емкость адресуемой памяти – 64 Гб, пространство виртуальной памяти – 64 Тб.
Pentium III может использоваться в двухпроцессорных системах, он выпускается в двух корпусах: в корпусе SECC 2 , выполненном в виде картриджа, который вставляется в Slot 2, и в корпусе FCPGA и Socket370.
Основные особенности Pentium III: в этот МП добавлено 70 новых команд, которые обеспечивают улучшенные возможности обработки трехмерной графики, поточного аудио и видео информации, распознавания речи.
Благодаря использованию двойной независимой шины увеличена пропускная способность и производительность. В этих МП уже нельзя изменить тактовую частоту МП. Этот МП впервые содержит функцию серийного номера. Такой МП устанавливается в Socket 370. Были выпущены Pentium III следующих разновидностей: Katmai, Tanner (Pentium III Xeon) – 0,25 мкн, Cappermine – 0,18 мкн – имеет встроенную Кэш второго уровня 256 Кбайт.
Во всех материнских платах Pentium III тактовая частота системной шины 133 Мгц.
МП Pentium IV
Эти МП выпущены в ноябре 2000 года, работали на тактовых частотах 1,3 – 1,8ГГц, содержали 42 млн. транзисторов. Первые микросхемы изготовлялись по технологии –0,18мкн, площадь кристалла 217 кв.мм. Более поздние – по технологии 0,16 и 0,13 мкн.
В ПК на базе МП Pentium IV, если на материнских платах устанавливались Chipset серии 850, то для постоянной памяти разрешалось применять R-DRAM, т.е. на материнской плате устанавливались минимум два модуля RIMM.
В МП Pentium IV используется 144 новых инструкции для ускорения обработки видео, мультимедиа, трехмерной графики. В этом МП внутренние регистры 32-разрядные, шина данных, системная шина – 63-разрядные, шина адреса – 44-разрядная, что позволяет адресовать 16 Тб памяти. Тактовая частота системной шины – 400 МГц, АЛУ работает на удвоенной частоте ядра, применяется гиперконвейерная технология (несколько 20-ступенчатых конвейера, минимальное число конвейеров - 3).
Кэш первого уровня 20 Кб, из них – 12 для команд, и 8 для данных. Кэш второго уровня ассоциативный, объемом 256Кб. Интегрированная шина кэш – 128-разрядная, работающая на тактовой частоте процессора. Расширенный модуль выполнения операций с плавающей точкой и несколько режимов снижения потребляемой мощности. Для этого МП используется Socket 423.
Pentium IV Itanium I
Представлен в мае 2001 года. Выполнен по другой архитектуре IA-64 – все внутренние регистры, шина данных, системная шина – 64-разрядные, а шина адреса – 44-разрядная. На базе этого МП использовались три уровня интегрированной Кэш-памяти:
Встроенная кэш-память третьего уровня, объемом 2-4 Мб, работающая на полной тактовой частоте ядра МП и содержащую интегрированную 128-разрядную шину кэш.
Встроенная кэш-память второго уровня, емкостью 96 Кб
Сегментированная кэш-память первого уровня объемом 32 Кбайта (16-для команд и 16 – для данных).
В кэш-памяти третьего уровня количество транзисторов примерно 300 млн.
Применяется адресация физической памяти до 16 Тб, используется технология EPIC, позволяющая выполнять до 20 операций за один машинный такт. Имеется ряд дополнительных модулей:
Два целочисленных модуля и два блока памяти, позволяющие за 1 машинный такт выполнять до 4х команд
Два модуля с плавающей точкой FMAC, которые позволяют выполнять до 2х операций в течение одного машинного такта и работать с 82-разрядными операндами
Два дополнительных модуля ММХ, каждый из которых позволяет выполнять до 2х операций с плавающей точкой с обычной точностью.
МП Itanium I имеет 64-разрядную шину, работающую с тактовой частотой 266 МГц, и пропускной способностью 2,1 Гб\сек.