4.2. Процессоры Intel. История процессоров Intel

Архитектура Intel стала стандартом «де-факто» современной компьютерной индустрии после того, как в 1981 г. компания IBM выбрала для своего первого персонального компьютера IBM PC процессор Intel 8088. Основополагающими факторами такой популярности Intel считает полную совместимость программного обеспечения, разработанного под Intel процессоры, и все более серьезные увеличения производительности, предлагавшиеся с выходом новых поколений процессоров.

Родоначальниками процессорной архитектуры Intel являлись 16-разрядные процессоры 8088 и 8086, причем объектный код, разработанный в расчете на них в 1978 г., и поныне без проблем исполняется на самых последних процессорах 32-разрядной архитектуры.

Процессор 8086 имел 16-разрядные регистры общего назначения, 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса, что позволяло ему оперировать адресным пространством в 1 МБ. Отличие процессора 8088 заключалось в 8-разрядной шине данных.

Процессор 80286 привнес в архитектуру Intel защищенный режим. В нем содержимое сегментных регистров используется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, которые давали возможность 24-разрядной адресации, что составляло 16 МБ адресного пространства. К тому же появилась возможность 4 уровня защиты кода операционной системы от приложений и защита приложений друг от друга.

Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором. В архитектуру введены 32-разрядные регистры общего назначения, подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и верхняя половины сохранили возможность работы в качестве самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного выполнения кода, созданного под ранние процессоры, на 32-разрядных процессорах был введен виртуальный х86-режим.

Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор поддерживал адресацию до 4 ГБ памяти. 16-разрядные инструкции, доставшиеся в наследство от предыдущих процессоров, получили возможность работы с 32-разрядными операндами и адресами, а также был добавлен ряд новых 32-разрядных инструкций.

В архитектуре процессоров Intel поддерживается обратная совместимость с объектным кодом для сохранения совместимости программного обеспечения, но в то же время в каждом новом поколении используются все более эффективные микропроцессорные архитектуры и технологии конструирования. Intel работала по внедрению и соединению сложной техники архитектуры mainframe в микропроцессорную архитектуру. Многие модели параллельной обработки намного усиливали производительность техники, и процессор 80386 был первым процессором, в который включили шесть параллельных стадий, он содержал кэш с информацией о 32 наиболее часто используемых страницах.

В процессор i80486 добавлена возможность параллельного выполнения с помощью расширения блока декодирования инструкции и блока выполнения процессора 80386 в пять конвейерных стадий, где каждая стадия (если нужно) работает параллельно с другими и одновременно может выполняться до пяти инструкций в разных стадиях.

Каждая стадия может выполнить свою работу над одной инструкцией за один такт, то есть процессор i80486 может выполнить работу над одной инструкцией за один такт CPU. Также к процессору i80486 был добавлен 8-килобайтный кэш L1 для увеличения процента инструкций, которые могут быть выполнены за один такт. В процессоре i80486 впервые на чип с CPU был интегрирован блок арифметического устройства с плавающей запятой (FPU) и добавлены новые контакты, биты и инструкции для поддержки более сложных и мощных систем (поддержку L2-кэша и мультипроцессорное).

Таблица 9

Процессоры Intel: сравнительные характеристики
Назва-ние	Год выпуска	Частота	Кэш память	Количе-ство транзис-торов	Раз-ряд-ность (бит)	Техно-логия (мкм)	Новые технологии
4004	1971	108 кГц		2300	4	3	4-разрядный
8008	1972	200 кГц		2300	8	3	8- разрядный
8080	1976	2 МГц		6000	8	3	8-разрядный
8086	1978	4,77-10 МГц		30000	8	3	8-разрядный
80286	1982	6-12МГи		135000	16	1,5	16-разрядный
80386 (DX,SX)	1985	16-33 МГц		275000	16	1,5-1	32-разрядный
486 (SX, SLC, DX)	1989	20-100 МГц	8 Кб (1 уровень)	900000-1,6 млн	16	1	Встроенный сопроцессор DX, кэш-память первого уровня
Pentium	1993	60-166 МГц	16 Кб (1уровень)	3,3 млн	32	0,8-0,5	Новая система команд
Pentium Pro	1994	150-200 МГц	16 Кб (1 уровень) 256 Кб-2 Мб (2 уровень)	5,5 млн	32	0,5	Впервые — кэш -память второго уровня на самом процессоре
Pentium MMX	19%	166-233 МГц	32 Кб (1 уровень)	4,5 млн	32	0,25	Новая технология мультимедиа–команд МMX
Pentium II	1997	233-300 МГц	32 Кб (1 уровень) 512 Кб (2 уровень)	7,5 млн	32	0,25	Разрядность шины — 64 бит
Celeron	1998	От 266 МГц	128 Кб(1 уровень)	7,5–19 млн	32	0,25	«Домашняя» модифи-кация Pentium II
Pentium III	1999	450МГи-1ГШ	32 Кб (1 уровень) 512 Кб (2 -уровень)	9–28 млн	32	0,18	Новая система мультимедиа-инструкций SSE
Pentium 4	2000	1,3-3,4 ГГц	8 Кб (1 уровень; 256-5 12 Кб (2 уровень)	44–60 млн	32	0,18–0,13	Система мультимедиа-инструкций SSE2, технология Hyper Threading
Pentium 4 Prescott	2004	2,8-4 ГГц	1Мб (1 уровень) 1–2 Мб (2 уровень)	125–175 млн	32	0,13–0,09	Система мультимедиа-инструкций SSE3

Позже Intel добавила в процессор i80486 SL Enhanced (расширенный) функции поддержки энергосбережения и другие возможности системного управления. Эти функции были развиты в процессорах i80386SL и i80486SL, которые были специализированы для быстро растущего рынка ноутбуков PC, работающих от батарей. Эти функции включали новый режим управления системой, запускаемый собственным выделенным контактом прерывания, который позволяет управлять системой (такой, как управление энергосбережением. Функции стоп таймер и автоматическая остановка позволяют CPU работать на пониженной частоте (для сохранения энергии) или остановиться (с сохранением текущего состояния).

Процессор Pentium стал первым процессором, в котором была применена суперскалярная архитектура — два конвейера, называвшиеся U и V, позволяли выполнять 2 инструкции за такт. Количество L1–кэша удвоилось (16 Кбайт) — теперь на команды и данные приходилось по 8 КБ, причем кэш данных использовал более эффективную схему с обратной записью. Для эффективного предсказания переходов в циклических конструкциях применялась встроенная таблица ветвлений. В виртуальном х86-режиме в дополнение к 4-килобайтным страницам появилась поддержка 4-мегабайтных страниц. Регистры остались 32-разрядными, но некоторые внутренние шины расширились до 64 и даже 128 разрядов. Также 64-разрядной стала внешняя шина данных.

Последний процессор этого поколения, Pentium MMX, привнес в архитектуру расширенный набор команд, позволявший эффективно оперировать упакованными целочисленными данными, находящимися в 64-разрядных ММХ-регистрах. Процессор MMX содержал встроенные инструкции по обработке мультимедийных функций.

В 1995 году было представлено семейство процессоров Р6, имевшее уже 3 независимых конвейера. Первым процессором этого семейства был процессор Pentium Pro.

Принципиальное отличие этого семейства состоит в том, что Р6 преобразует команды х86 во внутренние, RISC-подобные команды, называемые микрокомандами (micro-ops). Это позволяет устранить многие ограничения, свойственные набору команд х86: нерегулярность кодирования команд, операции целочисленных пересылок типа «регистр—память» и переменная длина непосредственных операндов. Шина адреса процессоров Р6 расширилась до 36 разрядов, что позволяет использовать адресное пространство размером до 64 ГБ.

В процессор Pentium II к архитектуре процессора Pentium Pro добавлены команды ММХ. Для процессора Pentium II вводится новая спецификация установки в материнскую плату слот 1 и слот 2. В этой новой спецификации кэш L2 выносится из кристалла. Для слота 1 и слота 2 используется ножевое соединение вместо сокета (Socket). В процессоре Pentium II увеличен кэш данных L1 и кэш инструкций L1 до 16 КБ каждый. В процессоре Pentium II размер кэша L2 может быть 256 КБ, 512 КБ и 1 МБ или 2 МБ (только для слота 2). Процессоры слота 1 используют «половинную тактовую частоту» шины, а процессоры слота 2 используют «полную тактовую частоту» шины.

Процессор Pentium III, выпущенный в 1999 году, внес в архитектуру Intel расширения SSE (Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extensions) — стали доступны новые 128-разрядные регистры и SIMD-операции над упакованными операндами с плавающей запятой с одинарной точностью.

Очевидный путь повышения производительности — увеличение числа ступеней конвейера и повышение частоты процессора. Но суперконвейерная архитектура имеет серьезный недостаток. При выполнении неправильно предсказанных переходов и операций необходима полная очистка конвейера, которая занимает тем больше времени, чем больше ступеней насчитывает конвейер, причем снижение производительности в некоторых случаях получается просто удручающим.

4.3. Pentium 4

Процессор Pentium 4 можно отнести к седьмому поколению, так как в нем использовано довольно много принципиальных новшеств. Для Pentium 4 Intel разработала новую архитектуру, которую назвала Intel NetBurst Micro-Architecture.

Для того чтобы процессоры могли работать на частотах порядка нескольких гигагерц, Intel увеличила длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology), за счет чего удалось даже при технологических нормах 0,18 мкм добиться работы процессора на частоте в 2 ГГц. Однако из-за такого увеличения длины конвейера время выполнения одной команды в процессорных тактах также сильно увеличивается. Поэтому компания серьезно поработала над алгоритмами предсказания переходов (Advanced Dynamic Execution). Количество предварительно загружаемых инструкций увеличилось до 126 по сравнению с 48 у Pentium III. Буфер, хранящий адреса условных переходов, также увеличился с 512 байт до 4 КБ. Все это позволило увеличить вероятность правильного предсказания переходов на 33%.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты. Два блока АЛУ (арифметико-логическое устройство), выполняющих операции над целочисленными данными, работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора.

Кэш 1-го уровня в процессоре также претерпел значительные изменения. В отличие от Pentium III, кэш которого мог хранить команды и данные, Pentium 4 имеет всего 8 КБ кэш-данных. Команды, поступающие на исполнение процессору, сохраняются в так называемом Trace Cache. Там они хранятся уже в декодированном виде, т. е. в виде последовательности микроопераций, поступающих для выполнения в исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша составляет 12000 микроопераций.

Кэш 2-го уровня (L2) в Pentium 4, сделанном на ядре Willamette, остался объемом 256 КБ. Ширина шины кэша L2 составляет 256 бит, но латентность кэша уменьшилась в два раза, что позволило добиться пропускной способности кэша в 48 ГБ при частоте 1,5 ГГц.

Самой интересной особенностью новых процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отличие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel решила оставить его практически без изменений, но зато дополнила его множеством команд для работы с потоками данных. К 70 инструкциям SSE1, работающим с потоковыми данными одинарной точности, добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной 1 —8 байт. Оптимизация программ под SSE2 должна увеличить их производительность в 2—5 раз.