PENTIUM Processor. Технический обзор

PENTIUM Processor. Технический обзор

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Реферат

Тема: P E N T I U M P r o c e s s o r

Технический обзор

Кафедра: ПЭ

Факультет: ВМК

Группа: ВМКу-01-4

Выполнил: Печенин А.В.________________

Проверил(а): ________________

г. Ангарск 2003 г.

Содержание:

1. Аннотация

2. Краткий исторический обзор

3. Особенности технологии Pentium процессора

4. Основные нововведения

5. Особенности архитектуры Pentium процессора

6. Сравнительные характеристики

P E N T I U M

processor

История появления Pentium процессора.

Одним обычным тихим воскресным утром 10 мая 1992 года, четыре

инженера фирмы INTEL прибыли в аэропорт San Jose International.

Установив видеоаппаратуру, Анжела Чанг, Эрик Деваннайн, Автар Саини и

Сухель Заатри нервозно прохаживались по залу, ожидая с минуты на минуту

самолета из Орегона. Когда Марк Хопман, спустя несколько минут после

приземления самолета, вышел из коридора, держа в руках маленький голубой

чемодан, вся встречающая группа направилась к нему. Все внимание было

приковано к чемодану, в котором находился продукт разработчиков 5

Орегонской фабрики. Трудно было поверить, что в этом чемодане находился

результат трехлетнего труда многих людей, воплощенный в маленький чип.

Так началась жизнь Pentium процессора, который формально был представлен 22

марта 1993 года.

В то время, когда Винод Дэм делал первые наброски, начав в июне 1989

года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот

продукт будет одним из главных достижений фирмы INTEL. С появлением

Pentium процессора рынок компьютеров сразу изменился и начался новый этап

конкуренции. San Microsistems, MIPS и другие продавцы RISC процессоров,

разрабатывающие супербыстрые чипы, безоговорочно признали, что новый

процессор фирмы INTEL станет стандартом для новых настольных PC.

Процесс рождения Pentium процессора был нелегким.

По теории, создавая процессор, команда разработчиков создает концепцию

проекта, в котором определяются его основные свойства и нововведения.

Далее инженеры проектируют логику, которая затем воплощается в

конкретные схемы. Как только заканчивается схемотехническое

проектирование, проектировщики топологии прорисовывают каждый

транзистор. В результате их труда создается конечный шаблон.

Реально же все было иначе. Традиционный процесс проектирования был

кардинально переработан, поскольку требовались ускоренные темпы

реализации проекта.

Как только команда разработчиков выполняла локальную задачу,

менеджеры перераспределяли ресурсы. Каждый инженер решал персональную

задачу. Командный дух постоянно подвергался таким испытаниям, как

задержки и трудности, однако временной план выполнения проекта от этого не

зависел. Для выполнения всех задач использовались самые последние

достижения автоматизированного проектирования. Очень пригодился опыт,

накопленный при проектировании и решении аналогичных проблем в 286,

Intel386 и Intel486 процессорах.

Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс

всеобъемлющего тестирования. Было желание не повторить проблемы,

возникшие в свое время с Intel486, задержавшие его запуск в производство.

Каждая ошибка трассировалась в обратном порядке, и устранялись ее причины.

Остальные инженеры выполняли сотни тестирований для проверки логики,

архитектуры и общей конструкции. Они выполнили более чем 5000 уточняющих

тестирований, прежде чем Pentium процессор обрел свою архитектуру. Для

тестирования была разработана специальная технология, позволившая

имитировать функционирование Pentium процессора с использованием

программируемых устройств, объединенных на 14 платах с помощью кабелей.

Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог работать в реальной

системе.

В дополнение ко всему, в процессе разработки и тестирования Pentium

процессора принимали активное участие все основные разработчики

персональных компьютеров и программного обеспечения, что немало

способствовало общему успеху проекта.

В конце 1991 года, когда была завершен макет процессора, инженеры

смогли запустить на нем программное обеспечение. Проектировщики начали

изучать под микроскопом разводку и прохождение сигналов по подложке с целью

оптимизации топологии и повышения эффективности работы.

Проектирование в основном было завершено в феврале 1992 года.

Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров, в течение

которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992 года было

принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium

процессора. В качестве основной промышленной базы была выбрана 5

Орегонская фабрика. Более 3 миллионов транзисторов были окончательно

перенесены на шаблоны. Началось промышленное освоение производства и

доводка технических характеристик, завершившиеся через 10 месяцев, 22 марта

1993 года широкой презентацией Pentium процессора.

Современная микропроцессорная технология фирмы INTEL.

Достижения фирмы INTEL в искусстве проектирования и производства

полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры во все

более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время

работают с комплементарным технологическим процессом металл-оксид

полупроводник (CMOS) с разрешением менее чем микрон.

Использование субмикронной технологии позволяет разработчикам фирмы

INTEL располагать больше транзисторов на каждой подложке. Это сделало

возможным увеличение количества транзисторов для семейства X86 от 29,000 в

8086 процессоре до 1,2 миллионов в процессоре Intel486 DX2, с наивысшим

достижением в Pentium процессоре. Выполненный по 0.8 микронной BiCMOS

технологии, он содержит 3.1 миллиона транзисторов. Технология BiCMOS

объединяет преимущества двух технологий: биполярной (скорость) и CMOS

(малое энергопотребление). С помощью более чем в два раза большего

количества транзисторов Pentium процессора по сравнению с Intel486,

разработчики поместили на подложке компоненты, ранее располагавшимися

снаружи процессора. Наличие компонентов внутри уменьшает время доступа,

что существенно увеличивает производительность. 0.8 микронная технология

фирмы INTEL использует трехслойный метал и имеет уровень, более высокий

по сравнению с оригинальной 1.0 микронной технологией двухслойного металла,

используемой в процессоре Intel486.

Фирма INTEL использовала самые последние достижения технологии

проектирования микропроцессоров для достижения преимуществ, сравнимых с

альтернативными архитектурами, используемыми в научных и инженерных рабочих

станциях, обеспечив при этом совместимость с программным обеспечение

стоимостью $50 миллиардов, наработанного для семейства микропроцессоров

серии X86.

Да и само программное обеспечение для Pentium процессора

разрабатывалось по новой технологии. Еще на этапе проектирования аппаратных

средств процессора к проекту стали привлекаться эксперты из всех основных

компаний, разрабатывающих операционные системы и компиляторы - Microsoft,

IBM, NeXT, Borland, Watcom, MetaWare и др. Это позволило на аппаратном

уровне поддержать новые технологии программирования с учетом фирменного

стиля поставщиков стандартного программного обеспечения. С другой

стороны, еще до рождения нового процессора использовались методы

классической и специальной оптимизации, раскрывающие специфические

достоинства архитектуры X86, например, использование команд загрузки-

записи, мощных режимов адресации, удаление инвариантных участков кода из

циклов и т.д. Теперь, только за счет перекомпиляции традиционных

приложений удается повысить их производительность на новом процессоре еще

вдвое. Такого в настоящее время не может предложить не один из конкурентов

фирмы INTEL.

PENTIUM Processor

Технический обзор

Новый процессор "Pentium" фирмы INTEL объединяет преимущества,

традиционно присущие миникомпьютерам и рабочим станциям, с гибкостью и

совместимостью, которыми характеризуются платформы персональных

компьютеров.

Спроектированный для нужд объединения все усложняющегося

современного и будущего прикладного программного обеспечения, Pentium

процессор расширяет диапазон микропроцессорной архитектуры фирмы INTEL до

новых высот, затеняемой ранее отличиями между мощными вычислительными

платформами и созданными для совершенно новой области применений

настольными компьютерами и серверами.

Новое поколение процессоров фирмы INTEL

Объединяя более чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой

подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой

производительностью с тактовой частотой 60 и 66МГц. Его суперскалярная

архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые

позволяют выполнять более чем одну команду за один период тактовой частоты,

в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-

совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой

микропроцессор. Кроме существующих наработок программного обеспечения,

высокопроизводительный арифметический блок с плавающей запятой Pentium

процессора обеспечивает увеличение вычислительной мощности до необходимой

для использования недоступных ранее технических и научных приложений,

первоначально предназначенных для платформ рабочих станций. Также, как

локальные и глобальные сети продолжают вытеснять устаревшие

иерархические сети, управляемые большими ЭВМ, преимущества

мультипроцессорности и гибкость операционной системы Pentium процессора -

идеал для Хост-компьютера для современных приложений клиент-серверов,

применяемых в промышленности.

Поскольку Pentium процессор способен достигать уровня

производительности равного или более высокого, чем современные рабочие

станции высокого уровня, он обладает преимуществами, которых лишены

обычные рабочие станции: полная совместимость с более, чем 50 000

программных приложений со стоимостью миллиарды долларов, которые были

написаны под архитектуру фирмы INTEL. В дополнение, Pentium процессор

позволяет использовать все основные операционные системы, которые доступны

современным настольным персональным компьютерам, рабочим станциям и

серверам, включая UNIX, Windows-NT, OS/2, Solaris и NEXTstep.

Pentium процессор. Технические нововведения.

Многочисленные нововведения - характерная особенность Pentium

процессора в виде уникального сочетания высокой производительности,

совместимости, интеграции данных и наращиваемости. Это включает:

- Суперскалярную архитектуру;

- Раздельное кэширование программного кода и данных;

- Блок предсказания правильного адреса перехода;

- Высокопроизводительный блок вычислений с плавающей запятой;

- Расширенную 64-битовую шину данных;

- Поддержку многопроцессорного режима работы;

- Средства задания размера страницы памяти;

- Средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;

- Управление производительностью;

- Наращиваемость с помощью Intel OverDrive процессора.

Архитектура Pentium процессора

1 - 64-битовый шинный интерфейс;

2 - Средства кэширования программного кода;

3 - Буферы выборки с упреждением;

4 - 32-битовый целочисленный блок АЛУ;

5 - 32-битовый целочисленный блок АЛУ;

6 - Набор регистров;

7 - Средства кэширования данных;

8 - Блок предсказания правильного адреса перехода;

9 - Блок конвейерных вычислений с плавающей запятой.

Суперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой

совместимую только с INTEL двухконвейерную индустриальную архитектуру,

позволяющую процессору достигать новых уровней производительности

посредством выполнения более чем одной команды за один период тактовой

частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру,

которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные

блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные

процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора

представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров

с 32-битовой архитектурой фирмы INTEL. Например, процессор Intel486

способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты,

однако предыдущие семейства процессоров фирмы INTEL требовали множество

циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

Возможность выполнять множество команд за один период тактовой

частоты существует благодаря тому, что Pentium процессор имеет два

конвейера, которые могут выполнять две инструкции одновременно. Так же,

как и Intel486 с одним конвейером, двойной конвейер Pentium процессора

выполняет простую команду за пять этапов: предварительная подготовка,

первое декодирование (декодирование команды), второе декодирование

(генерация адреса), выполнение и обратная выгрузка. Это позволяет

нескольким командам находиться в различных стадиях выполнения, увеличивая

тем самым вычислительную производительность. Каждый конвейер имеет свое

арифметическо-логическое устройство (ALU), совокупность устройств генерации

адреса и интерфейс кэширования данных. А транзисторы мы поставим

деревяненькие. Так же как и процессор Intel486, Pentium процессор

использует аппаратное выполнение команд, заменяющее множество

микрокоманд, используемых в предыдущих семействах микропроцессоров. Эти

инструкции включают загрузки, запоминания и простые операции АЛУ, которые

могут выполняться аппаратными средствами процессора, без использования

микрокода. Это повышает производительность без затрагивания совместимости.

В случае выполнения более сложных команд, для дополнительного ускорения

производительности выполнения расширенного микрокода Pentium процессора для

выполнения команд используются оба конвейера суперскалярной архитектуры.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с

предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд может

быть выполнено за одно и то же время.

Раздельное кэширование программного кода и данных.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в

Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование

увеличивает производительность посредством активизации места временного

хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из

быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной

памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один

8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования

программного кода и данных.

Проектировщики фирмы INTEL обошли это ограничение использованием

дополнительного контура, выполненного на 3.1 миллионах транзисторов

Pentium процессора (для сравнения, Intel486 содержит 1.2 миллиона

транзисторов) создающих раздельное внутреннее кэширование программного

кода и данных. Это улучшает производительность посредством исключения

конфликтов на шине и делает двойное кэширование доступным чаще, чем это

было возможно ранее. Например, во время фазы предварительной подготовки,

используется код команды, полученный из КЭШа команд. В случае наличия

одного блока кэш-памяти, возможен конфликт между процессом предварительной

подготовки команды и доступом к данным. Выполнение раздельного

кэширования для команд и данных исключает такие конфликты, давая

возможность обеим командам выполняться одновременно. Кэш-память

программного кода и данных Pentium процессора содержит по 8 KB информации

каждая, и каждая организована как набор двухканального ассоциативного

КЭШа - предназначенная для записи только предварительно

просмотренного специфицированного 32-байтного сегмента, причем быстрее,

чем внешний кэш. Все эти особенности расширения производительности

потребовали использования 64-битовой внутренней шины данных, которая

обеспечивает возможность двойного кэширования и суперскалярной конвейерной

обработки одновременно с загрузкой следующих данных. Кэш данных имеет два

интерфейса по одному для каждого из конвейеров, что позволяет ему

обеспечивать данными две отдельные инструкции в течение одного машинного

цикла. После того, как данные достаются из КЭШа, они записываются в

Страницы: 1, 2