2. Типы и фирмы процессоров

   Этапы развития МП, соответствующие достижения, их основные архитектурные и иные характеристики естественно рассмотреть на основе МП фирмы Intel (INTegrated ELectronics). Имеется также ряд фирм — AMD (Advanced Micro Devices), Cyrix, Texas Instruments и др., которые своими изделиями более или менее успешно конкурируют с корпорацией Intel.

   Основные параметры МП следующие:

1. тактовая частота;

2. степень интеграции микросхемы (сколько транзисторов содержится в чипе);

3. внутренняя разрядность данных (количество бит, которые МП может обрабатывать одновременно);

4. внешняя разрядность данных (количество одновременно передаваемых бит в процессе обмена данными ЦП с другими элементами);

5. адресуемая память (зависит от числа адресных бит).

Процессоры Intel

   Pentium (22 марта 1993 г.). Pentium представляет собой с уперскалярный процессор с 32-битовой адресной шиной и 64-битовой шиной данных, изготовленный по субмикронной технологии с комплиментарной МОП-структурой состоящий из 3,1 млн транзисторов (на площади 16,25 см2). Процессор включает следующие блоки:

1. Ядро (Core). Основное исполнительное устройство. Производительность МП при тактовой частоте 66 МГц составляет около 112 млн команд в секунду (MIPS). По сравнению с процессором 80486 DX было достигнуто 5-кратное увеличение производительности благодаря двум конвейерам, позволяющим выполнить одновременно несколько команд.

2. Предсказатель переходов (Branch Predictor) пытается угадать направление ветвления программы и заранее загрузить информацию в блоки предвыборки и декодирования команд.

3. Буфер адреса переходов (Branch Target Buffer BTB) обеспечивает динамическое предсказание переходов. Принцип действия: «Если предсказание верно, то эффективность увеличиваемся, а если нет, то конвейер приходится сбрасывать полностью». Согласно данным Intel, вероятность правильного предсказания переходов в процессорах Pentium составляет 75—80 %.

4. Блок плавающей точки (Floating Point Unit) выполняет обработку чисел с плавающей точкой. Обработка графической информации, мультимедиа-приложений и интенсивное использование ПК для решения вычислительных задач требуют высокой производительности при выполнении операций с плавающей точкой.

5. Кэш-память 1-го уровня (Level I cache). Процессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, 1-й – для команд, 2-й - для данных, которые обладают большим быстродействием, чем более емкая внешняя память кэш-память (L2 cache)

6. Интерфейс шины (Bus Interface). Передает в ЦП поток команд и данных, а также передает данные из ЦП.

   В процессоре Pentium введен режим управления системой SMM (System Management Mode). Этот режим дает возможность реализовывать системные функции очень высокого уровня, включая управление питанием или защиту, прозрачные для ОС и выполняющихся приложений.

   Переход на тактовую частоту 60 МГц и выше был значительным достижением, и были соответственным образом решены проблемы охлаждения (поверхность процессора при этом нагревается до 85 °С).

   Pentium Pro (1 ноября 1995 г.). В Pentium Pro для повышения производительности была применена буферная память (кэш) второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в корпусе ЦП. В результате стала возможной эффективная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блока целочисленной арифметики; блок загрузки; блок записи; FPU (Floating-Point Unit — устройство арифметических операций с плавающей точкой).

   Pentium P55 (Pentium MMX), 8 января 1997 г. Pentium MMX — версия Pentium с дополнительными возможностями. Технология ММХ должна была добавить/расширить мультимедиа возможности компьютеров. Реализована методика SIMD (ОКМД), ориентированная на алгоритмы и типы данных, характерные для программного обеспечения мультимедиа. ММХ объявлен в январе 1997 г., тактовая частота 166 и 200 МГц, в июне того же года появилась версия 233 МГц. Технологический процесс 0,35 мкм, 4,5 млн транзисторов.

   Pentium II (7 мая 1997 г.). Процессор представляет собой модификацию Pentium Pro с поддержкой возможностей ММХ. Первые PII объявлены как процессоры для настольных высокопроизводительных (high-end) компьютеров. Была изменена конструкция корпуса — кремниевую пластину с контактами заменили на картридж, увеличена частота шины и тактовая частота, расширены ММХ-команды.

   Есть также модель для ноутбуков — Pentium II РЕ и для рабочих станций — Pentium II Хеоn 450 МГц.

   Celeron (15 апреля 1998 г.). Celeron — упрощенный вариант Р2 для дешевых компьютеров. Основные различия этих процессоров в объеме кэша второго уровня частоте шины. Все эти процессоры выполнены по 0,25 мкм технологии и имеют от 7,5 до 19 млн транзисторов.

   Pentium III (26 февраля 1999 г.). Р3 — один из самых п роизводительных процессоров Intel, но в своей конструкции он мало чем отличается от Р2, увеличена частота и добавлено около 70 новых команд. В октябре 1999 г. также выпущена версия для мобильных компьютеров, выполненная по 0,18 мкм технологии с частотами от 400 до 733 МГц. Для рабочих станций и серверов существует РЗ Хеоn, ориентированный на системную логику GX с объемом кэша второго уровня 512 Кбайт, 1 или 2 Мбайт. Технологический процесс 0,25 мкм, системная шина работает на частоте 100 МГц, есть 0,18 мкм версия с частотой шины 133 МГц, а также модели на 600, 666 и 733 МГц.

   Pentium IV (Willamette, 2000 г.; Northwood, 2002 г.). Е стественно, рано или поздно архитектура РIII должна была устареть. Дело в том, что достигнув частоты в 1 ГГц, Intel столкнулась с проблемами в дальнейшем наращивании частоты своих процессоров: Pentium III на 1.13 ГГц пришлось отозвать в связи с его нестабильностью. Дальнейшее наращивание частоты существующих процессоров приводит все к меньшему росту их производительности. Проблема в том, что латентности (задержки), возникающие при обращении к тем или иным узлам процессора, в Р6 уже слишком велики.

   Таким образом появился Pentium IV — в его основе лежит архитектура, названная Intel NetBurst architecture. Этим названием Intel хотела подчеркнуть, что основная цель нового процессора — ускорить выполнение задач потоковой обработки данных, напрямую связанных с бурно развивающимися Internet и мультимедиа технологиями.

   Архитектура NetBurst имеет в своей основе несколько инноваций, в комплексе позволяющих добиться конечной цели — обеспечить запас быстродействия и будущую наращиваемость для процессоров семейства Pentium IV. В число основных технологий входят:

• Hyper Pipelined Technology — конвейер Pentium IV включает 20 стадий;

• Advanced Dynamic Execution — улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования(out of order execution);

• Trace Cache — для кэширования декодированных команд в Pentium IV используется специальный кэш;

• Rapid Execute Engine — ALU процессора Pentium IV работает на частоте, вдвое большей, чем сам процессор;

• SSE2 — расширенный набор команд для обработки потоковых данных;

• 400 МГц System Bus — новая системная шина.

   Pentium IV Prescott (февраль 2004 г.). В начале февраля 2004 г. Intel анонсировала четыре новых процессора Pentium IV (2,8; 3,0; 3,2 и 3,4 ГГц), основанных на ядре Prescott, которое включает ряд нововведений. Вместе с выпуском четырех новых процессоров Intel представила процессор Pentium IV 3.4 ЕЕ (Extreme Edition), основанный на ядре Northwood и имеющий 2 Мбайт кэш-памяти третьего уровня, а также упрощенную версию Pentium IV 2.8 А, основанную на ядре Prescott с ограниченной частотой шины (533 МГц).

   Новые процессоры имеют такую же конструкцию, что и основанные на ядре Northwood, поэтому для их различия Intel ввела новый индекс в названии процессора — Е. Например, процессор Pentium IV 3.2 С основан на ядре Northwood, имеет поддержку 800 МГц шины и технологии НТ, в то время как Pentium IV 3.2 Е выполнен на ядре Prescott и также поддерживает 800 МГц шину и технологию НТ.

   Prescott выполнен по технологии 90 нм, что позволило уменьшить площадь самого кристалла, при этом общее число транзисторов было увеличено более чем в 2 раза. В то время как ядро Northwood имеет площадь 145 мм2 и на нем размещено 55 млн транзисторов, ядро Prescott имеет площадь 122 мм2 и содержит 125 млн транзисторов.