1990-Е годы. Pentium — Pentium III (p6)
Pentium
В 1993 годы был выпущен революционный процессор Pentium. Его характеристики:
разрядность — 32;
разрядность шины данных — 64;
разрядность шины адреса — 32;
количество транзисторов — 3,1-3,3 млн.;
частота шины — 60, 66 МГц;
внутренняя тактовая частота — 60-200 МГц;
производительность Pentium66 — 112 MIPS;
мощность — 15,5 Вт при 200 МГц;
корпус и разъем — PGA 273-296, Socket4 273 (60-66), Socket5 320 (75-120), Socket7 321 (75-200) (совместим с Socket5, отличия: введен дополнительный контакт AH32, INC, играющий роль ключа, переопределен AL01 как VCC2DET#), питание — 3,3 В и для ядра, и для В/В.
Основные архитектурные особенности:
суперскалярность — два 5-стадийных конвейера;
специальный 8-ступенчатый конвейер FPU;
BTF (Branch Target Buffer) — буфер меток переходов;
раздельный кэш по 8 Кбайт для команд и данных;
встроенный контроллер прерываний (APIC, Advance Programmable Interrupt Controller).
Добавления в систему команд:
сравнение и обмен 8-байтных операндов (CMPXCHG8B);
получение информации о процессоре (CPUID);
запись машинно-специфичного регистра (WRMSR).
Разработка процессора Pentium была начата в июне 1989 года. Главный архитектор — Винод Дэм. В разработке принимал участие Владимир Пентковский, бывший сотрудник Института точной механики и вычислительной техники АН СССР.
Чипсет i82430FX (Triton)
Для создания компьютера на основе того или иного процессора, разрабатываются дополнительные микросхемы, совокупность которых называется чипсетом (набором микросхем).
Для поддержки процессора Pentium компанией Intel была разработана серия чипсетов i82430. Один из наиболее известных чипсетов 82430FX (Triton) поддерживает все трехвольтовые модели процессора Pentium и включает в себя следующие микросхемы:
82437FX, системный контроллер (TSC, Triton System Controller) — вырабатывает управляющие сигналы для кэша второго уровня и оперативной памяти, в том числе сигналы мультиплексирования адреса;
82438FX, шинный формирователь (TDP, Triton Data Path device), 2 шт. — осуществляет буферирование шины данных, памяти и ввода-вывода, под управлением 82437 — переключение между байтовым и двухбайтовым режимами;
82371FB, мост или ускоритель (PIIX, PCI ISA/IDE Accelerator bridge chip) — предоставляет интерфейс между шинами PCI и ISA, двухканальный интерфейс IDE, способный поддерживать до четырех устройств. Включает в себя: семь 32-разрядных DMA-каналов, пять 16-разрядных таймеров, два 8-канальных контроллера прерываний, схему отображения прерываний PCI-AT, NMI-логику, схему регенерации адресов ISA, схему арбитража шин ISA-PCI.
Материнская плата персонального компьютера на базе чипсета Triton, помимо перечисленных микросхем, содержит микросхему NS (National Semiconductor) PC87306 — контроллер ввода-вывода, в состав которого входят следующие компоненты:
NS16C550-совместимый универсальный асинхронный приемо-передатчик (UART, Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), 2 шт.;
многорежимный двунаправленный параллельный порт (режимы: стандартный IBM и Centronics-совместимый (SPP, Standard Parallel Port); EPP, Enhanced Parallel Port; ECP, Extended Capabilities Port);
контроллер дисковода гибких дисков (16-байтный буфер данных FIFO);
часы реального времени (RTC, Real Time Clock) и CMOS RAM, емкостью 128 байт (14 байт для часов, 114 — для установок программы SETUP);
8042-совместимый контроллер клавиатуры.
Pentium Pro (P6) — микроархитектура P6
1995 год — Pentium Pro (P6) с микроархитектурой P6. Его характеристики:
разрядность — 32;
разрядность шины данных — 64;
разрядность шины адреса — 36;
количество транзисторов — 5,5 млн. плюс 15,5 млн. кэш (6 на 1 бит);
частота шины — 66 МГц;
внутренняя тактовая частота — 133-200 МГц;
мощность — 20 Вт при 133 МГц, 35 Вт при 200 МГц;
корпус и разъем — PGA 387, Socket8, питание — 3,3 В и для ядра, и для В/В.
Основные архитектурные особенности:
динамическое исполнение (выполнение команд с опережением, переупорядочивание команд, предсказание переходов);
двухуровневый кэш: L1 — по 8 Кбайт для команд и данных; L2 — 256 или 512 К;
12-стадийный конвейер;
MBP, DFA, SE;
двойная независимая шина.
Надо отметить, что конвейер с переупорядочиванием команд (out-of-order pipeline) впервые появился именно в микроархитектуре P6 и является основным ее признаком. Переупорядочивание команд сохранится и во всех последующих микроархитектурах: NetBurst, Core, Intel (Nehalem). Исключение составит только микроархитектура Atom. В процессорах Atom команды выполняются по порядку (in-order pipeline). Это снижает производительность, но сильнее снижает энергопотребление. А низкое энергопотребление — основная черта и предназначение процессоров Atom.
Pentium MMX
1996 — Pentium MMX:
разрядность — 32;
разрядность шины данных — 64;
разрядность шины адреса — 32;
количество транзисторов — 4,5 млн.;
частота шины — 66 МГц;
внутренняя тактовая частота — 166-233 МГц;
мощность — 18,2 Вт при 233 МГц;
корпус и разъем — Socket7, питание — 2,8 В для ядра, 3,3 В — для В/В.
Основные архитектурные особенности:
суперскалярность;
64-битный SIMD (Single Instruction Multiple Data) — устройство и команды MMX (MultiMedia Extentions), добавившие в универсальный процессор элементы медийного процессора: 8 дополнительных 64-битных MMX-регистров для хранения 4 новых типов данных: упакованный байт, упакованное слово, упакованное двойное слово, четвертное слово — и 57 дополнительных команд для работы с ними;
общее количество команд — 277;
кэш L1 — по 16 Кбайт для команд и данных;
конвейер — 6 стадий.
Pentium II, Celeron
В 1997 году были выпущены процессоры Pentium II и Celeron.
Pentium II также имеет микроархитектуру P6 и представляет собой объединение Pentium Pro и Pentium MMX с удешевлением кэша. Его характеристики:
разрядность — 32;
разрядность шины данных — 64;
разрядность шины адреса — 32;
количество транзисторов — 7,5 млн.;
частота шины — 66, 100 МГц;
внутренняя тактовая частота — 233-450 МГц;
мощность — 38 Вт при 233 МГц;
корпус и разъем — SECC, Slot1, питание — 2,8 В для ядра, 3,3 В — для В/В.
Основные архитектурные особенности:
динамическое исполнение;
двойная независимая шина (кэш более дешевый, чем у Pentium Pro, частота шины кэша в два раза меньше тактовой частоты процессора);
SIMD (Single Instruction Multiple Data);
конвейер — 12 стадий;
кэш L2 — 512 Кб.
Celeron — упрощенный и соответственно более дешевый Pentium II (а впоследствии — Pentium III и Pentium 4):
количество транзисторов — 19 млн. вместе с L2;
частота шины — 66 МГц;
внутренняя тактовая частота — 266-667 МГц;
L1 — 16+16;
L2 — 0 или 128 Кб;
корпус и разъем — SECC — Slot1, PPGA/FCPGA 370 — Socket 370.
Pentium III
1999 — Pentium III — микроархитектура P6:
разрядность — 32;
разрядность шины данных — 64;
разрядность шины адреса — 32;
количество транзисторов — 28 млн.;
частота шины — 100, 133 МГц;
внутренняя тактовая частота — 500-1000 МГц;
корпус и разъем — SECC2 (133 МГц шина) — Slot1, FCPGA — Socket 370.
Основные архитектурные особенности:
128-битный SIMD (SSE, Streaming SIMD Extensions);
кэш L2 — 256 или 512 Кб.
Главный архитектор — Владимир Пентковский, бывший сотрудник Института точной механики и вычислительной техники АН СССР.
Чипсет i440BX
Для поддержки процессоров Pentium II и Celeron компанией Intel была разработана серия чипсетов i440. Некоторые из них поддерживали также Pentium III, хотя для него был специально разработан другой чипсет — i815. Один из наиболее известных представителей i440 — i440BX (рис.) — включает две микросхемы, условно называемые северным (north bridge) и южным (south bridge) мостом:
82443BX — контроллер главного моста (AGP и память), AGP Host Bridge Controller, корпус — 492 BGA;
82371AB — мост PCI-ISA, корпус — 324 BGA.
Рис. Структурная схема системы на чипсете Intel 440BX
с элементами физического представления
Основные характеристики чипсета i440BX:
процессоры Pentium II, Pentium III;
частота системной шины 100 МГц;
частота памяти 100 МГц;
интерфейс с HDD — ATA/66 с UDMA2.
Рис. Структурная схема системы на чипсете Intel 440BX
Здесь:
VRM, Voltage Regulator Module — регулятор напряжения;
CK, Clock Synthesizer — генератор тактовых импульсов;
ITP CON., Optional ITP Test Connector;
MAX1617 ME — SM (System Management) Bus Interface — интерфейс между процессором и устройствами SMBus, которые в частности могут инициировать различные события по управлению питанием;
GTL, GTL+ Termination Resistors — согласующие резисторы;
82443BX, Host Bridge — интерфейс системной шины, интерфейс памяти, PCI интерфейс, AGP интерфейс, интерфейс управления питанием для устройств PCI;
CKBF — тактовые импульсы на DIMM;
82371EB, PCI-TO-ISA / IDE XCELERATOR (PIIX4) — мост PCI-ISA, IDE интерфейс, USB (Universal Serial Bus) интерфейс, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, управление питанием (Enhanced Power Management), X-Bus интерфейс;
ULTRA I/O — последовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, флоппи, ROM BIOS;
LM79, Hardware Monitor — состояние вентиляторов и т. п.