Intel Pentium Pro

Первая попытка расположить кэш второго уровня, если не на одном кристалле, то хотя бы рядом с ядром процессора, была реализована в процессоре Pentium Pro. Выпущенный в 1995 году, процессор Intel Pentium Pro стал первым CPU с архитектурой P6. Этот процессор появился, когда технология достигла уровня 0,5 мкм. Главное преимущество и уникальная особенность Р6 - размещенная в одном корпусе с процессором вторичная статическая кэш-память размером 256 кб, соединенная с процессором специально выделенной шиной. Первая причина объединения процессора и вторичного кэша в одном корпусе - облегчение проектирования и производства высокопроизводительных систем на базе Р6. В Р6 вторичный кэш уже настроен на процессор оптимальным образом, что облегчает проектирование материнской платы. Вторая причина объединения - повышение производительности. Кэш второго уровня связан с процессором специально выделенной шиной шириной 64 бита и работает на той же тактовой частоте, что и процессор. Объединение процессора и вторичного кэша в одном корпусе и их связь через выделенную шину является шагом по направлению к методам повышения производительности.

Кристалл ЦПУ PentiumProсодержит 5,5 миллионов транзисторов; кристалл кэш-памяти второго уровня - 15,5 миллионов. Для сравнения, последняя модель Pentium включала около 3,3 миллиона транзисторов, а кэш-память второго уровня реализовывалась с помощью внешнего набора кристаллов памяти. Хотя число транзисторов на кристалле с вторичным кэшем втрое больше, чем на кристалле процессора, физические размеры кэша меньше: 202 квадратных миллиметра против 306 у процессора. Оба кристалла вместе заключены в керамический корпус.

В процессоре Pentium Pro было впервые реализовано:

• Архитектура двойной независимой шины;

• Динамическое исполнение;

• Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14;

• Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.

Особенности архитектуры двойной независимой шины

Архитектура двойной независимой шины, снимающая многие проблемы пропускной способности современных компьютерных платформ, была разработана фирмой Intel для удовлетворения запросов современных прикладных программ, а также для обеспечения возможности дальнейшего развития новых поколений процессоров. Наличие двух независимых шин дает возможность процессору получать доступ к данным, передающимся по любой из шин одновременно и параллельно, в отличие от последовательного механизма, характерного для систем с одной шиной.

Особенности динамического обновления

Всё началось с того, что конкуренты Intel предлагали альтернативные решения, при которых требуется минимальное число новых инструкций или вообще не требуется переработка компиляторов, а повышение производительности процессоров и скорости выполнения программ и вычислений достигается за счет внутренней оптимизации процессорного ядра. Так, технология 3D Now компании AMD позволяет производить две операции с плавающей точкой вместо одной у Pentium, а число новых инструкций около 30, при относительно равной стоимости. Дальнейшее увеличение числа инструкций при каждом введении новых технологий обработки данных могло привести Intel к тому, что микропроцессоры стали бы перегруженными объемом поддерживаемых инструкций. Компилирующие системы для них (например от Microsoft) – станут еще тяжелее и неповоротливее, а все нарастающая тактовая частота и производительность процессора будет "съедаться" непомерно большими программными продуктами. Так что КПД нововведений может оказаться невысоким. Для этого и было реализовано Динамическое исполнение.

Динамическое Исполнение представляет собой комбинацию трех технологий обработки данных, обеспечивающих более эффективную работу процессора - множественное предсказание ветвлений, анализ потока данных и спекулятивное исполнение. Динамическое исполнение обеспечивает более эффективную работу процессора, позволяя манипулировать данными, а не просто исполнять последовательный список инструкций. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок инструкций при помощи технологии Множественного Предсказания Ветвлений, которая предсказывает прохождение программы по нескольким ветвям. Процессор может предвидеть разделение потока инструкций, что дает возможность с 90% точностью предсказать, в какой области памяти можно найти следующие инструкции. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции, процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. ТехнологияАнализа потока данныхпозволяет проанализировать код и составить график, т.е. новую оптимальную последовательность исполнения инструкций, независимо от порядка их следования в тексте программы. И, наконец,Спекулятивное выполнениеповышает скорость, за счет выполнения до 5 инструкций одновременно, по мере их поступления в оптимизированной последовательности - т.е. спекулятивно. Это обеспечивает максимальную загруженность процессора и увеличивает скорость исполнения программы.

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.