Процессоры

реализации вторичной кэш-памяти.

Элементарный расчет поможет понять 6почему на 256К памяти, требуется

такое огромное число транзисторов. Это статическое ОЗУ, которое в отличие

от динамического, имеющего всего один транзистор на бит хранения и

периодически регенерируемого, использует для хранения бита ячейку из шести

транзисторов:

256 x 1024 х 8 бит х 6 пр – ров = 12.5 млн. транзисторов. С учетом

буферов и обвязки накопителя как раз и выйдет 15.5 миллионов.

Площадь процессорного кристалла равна 306 кв. мм. (для сравнения, у

первого процессора Pentium кристалл имел площадь 295 кв. мм). Кристалл

статической памяти, как всякая регулярная структура, упакован намного

плотнее - 202 кв. мм. Только Pentium Pro 150 MHz изготавливается по 0.6-

микронной технологии. Все остальные версии нового процессора

изготавливаются по 0.35-микронной BiCMOS-технологии с четырехслойной

металлизацией.

Почему компания Intel пошла на двухкристалльный корпус, объединив

ядро ЦПУ с вторичным КЭШем? Во – первых комбинированный корпус значительно

упростил изготовителям ПК разработку высокопроизводительных систем на

процессоре Pentium Pro.

Одна из главных проблем при проектировании компьютера на быстром

процессоре связана с точным согласованием с процессором вторичного КЭШа по

его размеру и конфигурации. Встроенная в Р6 вторичная кэш уже тонко

настроена под ЦПУ и позволяет разработчикам систем быстро интегрировать

готовый процессор на материнскую плату.

Во-вторых, вторичная кэш тесно связана с ядром ЦПУ с помощью

выделенной шины шириной 64 бита, работающей на одинаковой с ним частоте.

Если ядро синхронизируется частотой 150 МГц, то кэш должна работать на

частоте 150 МГц.

Поскольку в процессоре Pentium Pro есть выделенная шина для

вторичного КЭШа, это решает сразу две проблемы: обеспечивается синхронная

работа двух устройств на полной скорости и отсутствие конкуренции за шину с

прочими операциями ввода-вывода. Отдельная шина L2, "задняя" шина полностью

отделена от наружной, "передней" шины ввода-вывода, вот почему в P6

вторичная кэш не мешает своими циклами операциям с ОЗУ и периферией.

Передняя 64-битовая шина может работать с частотой, равной половине, трети

или четверти скорости ядра Pentium Pro. "Задняя" шина продолжает работать

независимо, на полной скорости.

Такая реализация представляет серьезный шаг вперед по сравнению с

организацией шины процессора pentium и других процессоров х86. Только

NexGen приближенно напоминает такую схему. Хотя в процессоре Nx586 нет КЭШа

L2, зато встроен ее контроллер и полноскоростная шина для связи с внешней

кэш-памятью. Подобно Р6, процессор Nx586 общается с основной памятью и

периферийными подсистемами поверх отдельной шины ввода-вывода, работающей

на деленной частоте.

В экзотическом процессором Alpha 21164 компания Digital пошла еще

дальше, интегрировав прямо на кристалле в дополнение к первичной кэш-памяти

еще и 96 Кбайт вторичной. За счет вздувания площади кристалла достигнута

беспрецедентная производительность кэширования. Транзисторный бюджет Альфы

составляет 9.3 миллиона транзисторов, большая часть которого образована

массивом памяти.

Есть одна незадача: необычный дизайн Pentium Pro, пожалуй, затруднит

экспертам задачку вычисления соотношения цены и производительности.

Интегрированная в процессор кэш вроде как скрыта с глаз. Pentium Pro сможет

показаться более дорогим, чем его конкуренты, но для создания компьютера на

других процессорах потребуется внешний набор микросхем памяти и кэш-

контроллер. Эффективный дизайн кэш-структуры означает, что другим

процессорам, претендующим на сопоставимую производительность, потребуется

кэш-памяти больше, чем 256 Кбайт.

Уникальный корпус предоставляет свободу созданию новых вариантов

процессора. В будущем возможно как повышение объема кэш-памяти, так и ее

отделение ее от процессора в соответствии с традиционным подходом. Если

последний вариант появится, он окажется, несовместим по внешним выводам с

двухкристалльным базовым корпусом, так как ему необходимо добавить 72

дополнительных вывода (64-для "задней" шины и 8 для контроля ошибок). Hо он

будет почти таким же быстрым, если будет широко доступна статическая память

с пакетным режимом. По мнению инженеров Intel, подключение внешних

микросхем памяти к "передней" шине Pentium Pro с целью реализации кэш-

памяти третьего уровня, вряд ли оправдано. Отправной точкой для такой

убежденности служат результаты натурного моделирования прототипа системы,

которая в следствии высокой эффективности интерфейса кэш L2-процессор,

практически до теоретического предела загружает вычислительные ресурсы

ядра. Процессор Alpha 21164, напротив, спроектирован с учетом необходимости

кэш L3.

3.10.3. Значения тестов для некоторых чипов фирмы Intel.

|Processor |Intel |Intel |Intel |Intel |Intel |

|Benchmarks |Pentium |Pentium |Pentium |Pentium |Pentium |

| |Pro |Pro |Pro |Pro |Processo|

| |Processo|Processo|Processo|Processo|r |

| |r |r |r |r |(133MHz)|

| |(200MHz)|(180MHz)|(166MHz)|(150MHz)| |

| | | | | | |

| | | |w/512K | | |

| | | |L2 | | |

|UNIX | | | | | |

|SPEC95 |8.09 |7.29 |7.11 |6.08 |4.14 |

|SPECint95 |8.09 |7.29 |7.11 |6.08 |4.14 |

|SPECint_base9|6.75 |6.08 |6.21 |5.42 |3.12 |

|5 |5.99 |5.40 |5.47 |4.76 |2.48 |

|SPECfp95 | | | | | |

|SPECfp_base95| | | | | |

|SPEC92 |366.0 |327.4 |327.1 |276.3 |190.9 |

|SPECint92 |336.7 |3.5.8 |306.6 |258.3 |175.9 |

|SPECint_base9|283.2 |254.6 |261.3 |220.0 |120.6 |

|2 |234.3 |210.4 |209.6 |182.0 |107.3 |

|SPECfp92 | | | | | |

|SPECfp_base92| | | | | |

|Windows | | | | | |

|Norton System|86.7 |77.6 |Not |67.0 |34.2 |

|Index | | |tested | | |

|SI32 | | | | | |

|Ziff-Davis |541 |466 |Not |412 |278 |

|CPUmark32 | | |tested | | |

4. Процессоры конкурентов Intel.

4.1. Первые процессоры конкурентов Intel.

Intel была не единственной фирмой - производителем микропроцессоров:

существовали еще MOS Technologies, Mostek, Motorola, Rockwell, Standart

Microsystems Corporation, Synertek, Texas Instruments. Одни из них

использовали свои собственные проекты чипов, другие - лицензионные проекты

своих конкурентов. Успешнее всех в конце 70-х работала фирма Zilog. Она

создала чип Z80.

В то время, когда компьютеры, работающие под управлением СР/М,

распространились в офисах, компьютеры Apple II буквально ворвались в школы.

Фирма Apple в качестве основного компонента своего компьютера выбрала чип

фирмы MOS Technologies 6502. Это был лицензионный чип фирмы Rockwell and

Synertek. Apple начала использовать процессоры Motorola во всех своих

компьютерах Macintosh. Разработки фирм Intel и Motorola появились почти

одновременно, но объединяет их не только это. Микропроцессоры Intel 80486 и

Motorola 68040, например, почти одинаковы по сложности и имеют

функциональные сходные возможности. Тем не менее, они совершенно

несовместимы. Именно поэтому на Macintosh и PC не могут выполняться одни и

те же программы.

Существует принципиальное отличие в эволюционном развитии этих двух

семейств микропроцессоров. Intel начала с довольно незначительного по нашим

современным меркам адресного пространства в 1 Мбайт и постоянно наращивала

его до нынешнего размера в 4 Гбайт. Motorola в своей серии 680x0 всегда

имела адресное пространство в 4 Гбайт. IBM поместила чипы ROM в адресное

пространство своих PC как можно выше. И не ее ошибка была в том, что позже

Intel достроила "второй этаж" и таким образом оставила ROM в конструкциях

IBM где-то посередине, открыв дорогу использованию RAM, что само по себе,

может быть, и не плохо. Разработчики семейства чипов 680х0 никогда не

испытывали подобных неудобств, и поэтому очень много программистов считают,

что Mac лучше.

Intel приложила значительные усилия, пытаясь стандартизовать

производство ее процессоров 8086 и 8088 на предприятиях-подрядчиках.

Hесколько предприятий приняло такие соглашения. Однако Haris выпустил свои

чипы - аналоги 8086 и 8088, которые менее всего удовлетворяли этим принятым

соглашениям. Он использовал технологию CMOS, значительно сокращающую

потребление электроэнергии, и это свойство сделало его чипы очень

популярными, особенно среди производителей ПК с экранами на жидких

кристаллах.

Фирма NEC предложила свою так называемую V-серию чипов и объявила,

что чип V20 является конструктивно совместимым с чипом Intel 8088, но имеет

усовершенствованный набор инструкций, включая при этом и инструкции чипа

8080. Это означало, что он мог легко выполнять программы, написанные для

CP/M, без их модификации, используя эмулятор программ, и при этом включать

преимущества инструкций 8080, содержащихся в чипе V20. Их чип V30 был

аналогом 8086 с включенными дополнительными возможностями.

Чипы V-серии фирмы NEC также работали немного быстрее аналогичных

чипов фирмы Intel. Эти чипы имели некоторый успех, чем была раздосадована

Intel. Последняя подала в суд на NEC по факту нарушения закона о защите

авторских прав. NEC подала ответный иск. В результате спор был улажен без

признания победителем какой-либо стороны. Интересными были детали этого

судебного разбирательства. Было признано, что NEC действительно

использовала некоторые микрокоды Intel, что было нарушением ее авторского

права, если бы оно было должным образом оформлено. Hо поскольку Intel

производила и продавала некоторые чипы 8088 без знака авторского права, то

их претензии были признаны безосновательными. Компания Chips and

Technology, которая стала известна благодаря выпуску аналогов BIOS, в

настоящее время внедрила линию по производству процессорных чипов. Hа ней

выпускаются аналоги 386. И поскольку эти чипы не являются точными аналогами

известных ранее чипов, неизвестно каким будет на них спрос.

4.2. Процессоры фирмы AMD.

4.2.1. Судебное разбирательство с Intel.

Фирма AMD была лицензионным производителем Intel, производящей 80286.

AMD объявила, что ее контракт с Intel позволяет им выпускать легализованные

копии чипов 386. Intel категорически не согласилась с этим. AMD удалось

выиграть это судебное разбирательство, и теперь она выпускает аналог чипа

386 с тактовой частотой 40 МГц. Этот чип имел определенный успех, в

частности, из-за его более высокой скорости по сравнению с самым

быстродействующим чипом серии Intel 386. При выпуске фирмой AMD аналогов

486 фирма Intel снова попыталась остановить конкурента. Однако и в этом

случае закон был на стороне AMD.

4.2.2. Процессоры семейства AMD5k86.

Наладив в 1994 году массовое производство чипов 5-го поколения -

микропроцессоров Pentium, корпорация Intel мощно пошла в отрыв.

Интеллектуальная колоссальная мощь ее инженеров, помноженная на богатейшие

производственные возможности, казалось, не оставляла никаких шансов

конкурентам. между тем вдогонку за лидером бросилось сразу несколько

преследователей. Среди них, пожалуй, именно компания AMD имела самую

"удачную" стартовую позицию. Компания Advanced Micro Devices занимала

второе место в мире по производству микропроцессоров. На сегодняшний день

общее число чипов, выпущенных фирмой AMD, перевалило далеко за отметку 85

миллионов, что, согласитесь, само по себе говорит об огромном потенциале

компании.

Цифра "5" для фирмы AMD была явно несчастливой. Intel Pentium все

наращивал обороты: 66, 75, 90 Мгц... Тактовая частота новых моделей

увеличивалась едва ли не каждый месяц. А разработчикам компании AMD, кроме

названия - "K5", представлять было решительно нечего. Ожидание становилось

тягостным.

Гнетущее ощущение несбывшихся надежд скрасил выпуск процессора

Am5x86. Нет, чип Am5x86 не был обещанным К5. Микропроцессор представлял

собой "четверку" с большими возможностями, которые однако, явно не

дотягивали до "честного" Pentium. В прессе распространялись мнения

специалистов, вроде: "Производительность, сравнимая с производительностью

Pentium, позволяет отнести микропроцессор Am5x86 к устройствам пятого

поколения".

А между тем, оставаясь по своей сути (по внутренней архитектуре) до

боли знакомым 486-м, чип Am5x86, имеющий тактовую частоту 133 МГц, мог

соперничать на равных лишь со скромным по своим возможностям процессором

Pentium/75 МГц. Интересно, какой должна была бы быть тактовая частота

Am5x86, чтобы показать производительность, сравнимую с Pentium/166 МГц!

Поэтому создание чипа пятого поколения у компании Advanced Micro

Devices было еще впереди. При проектировании своих предыдущих процессоров

компания опиралась на неизменную поддержку корпорации Intel. Но к началу

разработки собственного процессора пятого поколения срок действия

лицензионных соглашений с корпорацией Intel подошел к концу. Так что

инженерам AMD пришлось начать разработку, что называется, с чистого листа.

В частности, вышла промашка при проектировании встроенного КЭШа команд.

Наборы команд для процессоров разных поколений существенно отличаются.

Инженеры-разработчики компании AMD немного просчитались в оценке числа CISC-

инструкций, имеющих различную длину. В результате, не удавалось достичь

проектируемого уровня производительности при исполнении программ,

оптимизированных под процессор Pentium. Но спустя некоторое время и эта, и

некоторые другие ошибки были устранены. И в конце марта 1996 года компания

AMD с гордостью объявила о появлении на свет нового процессора пятого

поколения - AMD5k86.

4.2.2.1 Экскурсия по внутренней архитектуре.

Процессор AMD5k86, известный на стадии разработки как AMD-K5 или

Krypton, является первым членом суперскалярного семейства (Superscalar

family) K86. Он соединяет в себе высокую производительность и полную

совместимость с операционной системой Microsoft Windows.

Суперскалярный RISC-процессор AMD5k86 выполнен по 0ю35-микронной КМОП

– технологии (complimentary metal – oxid semiconductor process) и состоит

из 4.3 млн. транзисторов. Его дизайн базируется на богатой истории и

обширном опыте архитектур RISC и х86.

По мнению многих специалистов, разработчики чипа AMD5k85 пошли

значительно дальше первоначального замысла: создать процессор, имеющий RISC-

ядро, и при этом совместимый с набором инструкций х86 означает

совместимость с операционными системами Microsoft Windows и всем ПО,

написанным под архитектуру х86. Столь счастливое сочетание высочайшей

производительности и полной совместимости с Microsoft Windows делает чип

AMD5k86 полноправным членом 5-го поколения микропроцессоров.

Микропроцессор AMD5k86 имеет 4-потоковое суперскалярное ядро и

осуществляет полное переупорядочивание выполнения инструкций (full out – of

– order execution). Чип AMDk586 унаследовал лучшие черты от двух

доминирующих на сегодняшний день микропроцессорных ветвей: семейства х86 и

суперскалярных RISC-процессоров. От первых он унаследовал столь необходимую

для успешного продвижения на компьютерном рынке совместимость с

операционной системой WINDOWS. От семейства суперскалярных RISC-процессоров

он унаследовал высочайший уровень производительности, характерный для

чипов, применявшихся в рабочих станциях.

Разработанный инженерами компании AMD процесс предварительного

декодирования позволяет преодолеть присущие архитектуре х86 ограничения

(различная длина инструкций). В случае использования инструкций различной

длины, чипы 4-го поколения могут одновременно обрабатывать 1 команду,

процессоры 5-го поколения (Pentium) - 2 команды. И только микропроцессор

AMD5k86 способен обрабатывать до 4 инструкций за такт.

Использование раздельного КЭШа инструкций и данных (объем КЭШа

инструкций в два раза превосходит объем КЭШа данных) исключает

возникновение возможных внутренних конфликтов.

Сейчас выпускаются микропроцессоры AMD5k86-P75, AMD5k86-P90 и AMD5k86-

P100 производительность которых (Р. - рейтинг) соответствует процессору

Pentium с тактовыми частотами 75, 90 и 100 МГц.

Компания Advanced Micro Devices планирует выпустить в этом (1996)

году 3 млн. процессоров семейства AMD5k86 со значениями Р. - рейтинга от 75

до 166. Цены на новые процессоры будут сопоставимы с ценами обладающих

аналогичной производительностью процессоров Pentium, вероятно, даже

несколько ниже. Средняя цена процессора AMD5k86-P75 составляет около $75,

чипа AMD5k86-P90 - $99.

Характеристики микропроцессора AMD5k86:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8