В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 24

Глава 2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ

2.1. Как появились и развивались микропроцессоры

2.1.1. Создание корпорации Intel

Лидер микроэлектронной индустрии – корпорация Intel была основана тремя специалистами: Бобом Нейсом, Гордоном Муром и Энди Гроувом - в конце 60-х годов прошлого века. Название фирмы происходит от слов INTegral ELectronic (интегральная электроника). Начальную финансовую поддержку фирме в объеме 2,5 миллиона долларов оказал финансист Артур Рок. Поначалу Intel выпускала ходовой в те годы товар - микросхемы памяти.

В 1969 году некая малоизвестная японская фирма Busicom заказала Intel разработку дюжины микросхем для своего нового микрокалькулятора. Ее поручили трем сотрудникам фирмы Intel - Теду Хоффу, Федерико Феджину и Стэну Мэйзору. Эта разработка и стала тем золотым яичком, которое снесла Intel и за которое они были занесены в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США. Славная троица вместо десятка микросхем придумала одну, но такую, функции которой задавались программным путем.

Новую микросхему назвали 4004, а вскоре за ней утвердилось название «микропроцессор», поскольку ее функции напоминали функции центрального процессора ЭВМ. Создатели первых микропроцессоров считали их особенно перспективными в устройствах промышленной электроники и бытовой техники. Разработкой и производством микропроцессоров занялось множество фирм. Но бессменным лидером микропроцессорной индустрии остается корпорация Intel.

2.1.2. Два класса микропроцессоров (CISC и RISC)

Микропроцессоры выпускаются двух классов:

CISC (Complex Inctruction Set Commands) – процессор с полным набором инструкций (команд);
RISC (Reduced Inctruction Set Commands) – процессор с сокращенным набором инструкций.

Самые распространенные микропроцессоры Pentium относятся к категории CISC, хотя внутри и используют архитектурные решения RISC процессоров. RISC процессоры используются в ПК корпорации Apple, в серверах и рабочих станциях IBM и Sun Microsystems. Процессоры этого типа нередко применяются и в карманных компьютерах, поскольку они менее сложны технологически и потребляют меньше электрической энергии по сравнению с процессорами класса CISC. Особых преимуществ друг перед другом процессоры этих классов не имеют и развиваются параллельно.

2.1.3. История микропроцессоров Intel от 4004 до Itanium

Чтобы понять многие особенности современных микропроцессоров и компьютеров, нужно рассмотреть историю создания микропроцессоров. Это связано с тем, что новейшие процессоры должны поддерживать все возможности старых процессоров, т. е. должна обеспечиваться аппаратная и программная совместимость сверху вниз. История создания микропроцессоров очень поучительна.

1971 год: микропроцессор 4004

До появления микропроцессора 4004 все микросхемы имели конкретное и довольно узкое назначение, например, логические элементы, переключатели или устройства памяти. Первый микропроцессор корпорации Intel 4004 стал поистине революционным изобретением: он представлял собой устройство, функциональные возможности которого могли меняться программным путем в широчайших пределах. Поэтому один микропроцессор мог заменить множество различных микросхем.

Новая микросхема была 4-разрядной и содержала 2200 транзисторов. На ее кристалле в хороший оптический микроскоп можно было рассмотреть отдельные детали – проводники, некоторые диоды и транзисторы. Процессор 4004 имел простейшее арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и порты ввода/вывода, зачатки блока управления памятью. Он мог выполнять только целочисленные операции и работал на частоте всего 108 КГц.

1972 год: микропроцессор 8008

Вычислительная мощь процессора 8008, по сравнению с его предшественником, возросла вдвое - частота 200 КГц. Дон Ланкастер применил процессор 8008 в разработке прототипа персонального компьютера — устройства, которое служило терминалом ввода-вывода.

1974 год: микропроцессор 8080

Этот процессор с частотой 2 МГц стал основой первого компьютера «Альтаир», напоминающего отдаленно персональный компьютер. Десятки тысяч экземпляров комплекта для самостоятельной сборки «Альтаира» разошлись за несколько месяцев.

1978 год: микропроцессоры 8086

16-разрядный микропроцессор 8086 объединял в себе три важнейших устройства ЭВМ:

арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции,
блок управления, осуществляющий согласованное управление различными узлами микро-ЭВМ, построенной на базе микропроцессора,
блок ввода/вывода, осуществляющий управление портами ввода/вывода.

8086 мог прямо адресоваться всего к 2¹⁶=65536 ячейкам памяти, что было явно недостаточно. Тогда конструкторы процессора предложили оригинальный ход: задавать адрес двумя 16-разрядными числами. Специальная комбинация их позволяла с помощью 20-разрядной шины адресов задавать 65536 сегментов памяти и относительный сдвиг адреса для выбранного сегмента. В результате стала возможной адресация до 1 048 576 ячеек памяти (или 1 Мбайта). На деле из мегабайта адресуемой памяти можно было использовать только 640 Кбайт – это была основная память ПК. Но этот несовершенный механизм адресации памяти пришлось сохранять в последующих микропроцессорах.

Процессор 8086 мог работать с частотами 5, 8 и 10 МГц. С целбю ускорения математических расчетов для этого процессора был создан математический сопроцессор 8087, резко повысивший скорость математических расчетов.

1979 год: микропроцессоры 8088

Возможности микропроцессора 8086 оказались избыточными для применений конца семидесятых годов. Так, подавляющее большинство периферийных устройств тех времен были 8-разрядными. Поэтому в 1979 году фирма Intel разработала и выпустила новый микропроцессор 8088, ставший упрощенным вариантом 8086 с восьмиразрядной шиной данных.

Именно микропроцессоры 8088 выбрала IBM для своих массовых ПК IBM PC XT. Они оказались самыми подходящими для ПК начала 80-х годов и поставлялись фирмой Advanced Micro Devices (AMD), вначале тесно сотрудничавшей с Intel. Частоты процессора составляли 5 и 8 МГц.

1982 год: процессоры 80186 и 80188

В 1982 году фирма Intel выпустила усовершенствованные микропроцессоры 80186 и 80188. Они сохранили архитектуру микропроцессоров 8086 и 8088, но имели ряд усовершенствований. Из них основные - это встроенный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) и счетчик/таймер. Эти процессоры широко применялись в контроллерах периферийных устройств и в некоторых ПК.

1982 год: микропроцессор 286

В процессоре 286 (80286) к устройствам ввода/вывода, АЛУ и блоку управления добавилось новое устройство - блок управления памятью с объемом до 16 Мбайт. Этот микропроцессор мог работать в двух различных режимах работы - реальном и защищенном. В реальном режиме он имитировал работу микропроцессора 8086. При этом доступный для адресации объем памяти составлял, как и прежде, всего 640 Кбайт. В защищенном режиме 286-ой понимал команды доступа к памяти с объемом до 16 Мбайт. Но память при этом по-прежнему делилась на сегменты (страницы) с размером 64 Кбайта.

Частота работы микропроцессора 286 была повышена до 10 МГц, а в его последующих модификациях – даже до 20-25 МГц. Этот микропроцессор был избран фирмой IBM для ее очередной удачной модели IBM PC AT. Для микропроцессора 286 был создан математический сопроцессор 287.

1985 год: микропроцессор Intel 386™

Микропроцессор Intel 386™ насчитывал уже 275 000 транзисторов. Это был 32-разрядный процессор с возможностью одновременного выполнения нескольких программ. Он содержал: АЛУ, блок шинного интерфейса и блок управления памятью, включающий блок сегментации памяти и блок подкачки страниц. Каждая страница памяти могла быть разбита на сегменты по 4 Кбайта. Блок подкачки страниц обеспечивал управление памятью с объемом до 4 Гбайт (1 Гбайт - это 1024 Мбайтов), т.е. барьер в 640 Кбайт был превзойден, причем очень сильно.

Микропроцессор 386 мог работать в многозадачном режиме, при котором компьютер выполнял одновременно несколько задач. Он также мог осуществить работу с так называемой виртуальной (кажущейся) памятью. При ее применении у пользователя создается впечатление, что он работает с памятью большего размера, чем это есть на самом деле. А на деле «лишние» и временно не используемые участки памяти просто записываются на жесткий диск компьютера и, после освобождения ОЗУ, вновь заносятся в него.

Важным нововведением в процессорах 386 стало кэширование памяти. Это означает хранение ожидаемых команд микропроцессора или нужных данных в специальном быстром ОЗУ - кэш-памяти (памяти приоритетов), из которого они в нужный момент быстро извлекаются. Кэширование основано на теории предсказания команд, которые могут использоваться процессором в ближайшее время.

Для микропроцессора 386 был создан математический сопроцессор 80387 фирмы Intel и еще более мощный сопроцессор Weitek 3167. Это резко повысило скорость выполнения математических операций - до уровня, характерного для мини-ЭВМ.

Первыми разработчиками ПК, оценившими достоинства микропроцессора 386, стали специалисты из фирмы Compaq - одного из серьезных конкурентов IBM в области производства массовых ПК. С их ПК началась эра 32-разрядных ПК с микропроцессором 386. Вскоре множество фирм (в том числе и IBM), спохватившись, стали разрабатывать и выпускать ПК на базе микропроцессоров 386. А выпуск ПК с процессорами 8086/8088/286 пошел на убыль.

1989 год: микропроцессор Intel 486™ DX

В 1989 г. Intel выпустила очередную новинку - микропроцессор 486. Микросхема микропроцессора 486 содержала уже около 1,2 миллиона транзисторов! Впервые число транзисторов на кристалле превысило эту непостижимую по тем временам величину. Микропроцессор 486 также имеет 32-разрядную шину данных и позволяет адресоваться к почти фантастическому объему памяти - до 64 000 Мбайтов (или 64 Гбайта)! Впервые математический сопроцессор был встроен в кристалл с процессором.

Другая важная новика - встроенная в микропроцессор сверхбыстрая кэш-память первого уровня – L1 с объемом 8 Кбайта. Эта память занимала почти треть площади кристалла. Поскольку кэш-память расположена на одном кристалле с процессором, резко уменьшается время обмена между ними информацией. Кроме того, обмен идет по внутренней 128-разрядной шине. В результате при прочих равных условиях микропроцессор 486 работал более чем вдвое быстрее, чем лучшие образцы 386.

Микропроцессор 486 заключен в довольно большой керамический корпус со штырьковыми выводами (их 168), расположенными по всем четырем сторонам. Как правило, для охлаждения микропроцессора используется радиатор или миниатюрный вентилятор.

Процессор 486 имел рабочую частоту до 50 МГц. Однако дальнейшее повышение частоты стало ограничиваться еще и пропускной способностью шины данных. Она во время появления этого процессора не превышала 30-35 МГц. Был найден довольно необычный выход из этого положения. Он заключается в умножении частоты работы микропроцессора внутри его кристалла. Такие микропроцессоры были созданы и получили названия вида 486DXN-F, где N – число, задающее кратность частоты F внутри кристалла.

1992 год: процессор Pentium®

Не успел пройти триумф 486-х микропроцессоров, как фирма Intel выдала на рынок очередную новинку – 32-разрядный микропроцессор уже пятого поколения P5 (586). Впрочем, он вскоре получил более звучное название Pentium (пятый). Первые образцы процессора имели частоты 60 и 66 Мгц. Они содержали на кристалле 3,5 миллиона транзисторов. Шина адресов у Pentium 32-разрядная. Процессоры выполнялись по технологии с разрешением 0,8 мкм и при напряжении питания 5 В потребляли мощность около 13 Вт.

Архитектура процессора была вновь улучшена. Теперь работа процессора базируется на конвейерной и суперскалярной архитектуре. Конвейер в процессоре - это блок одновременно выполняемых команд, поступающих в его начало и идущих к концу конвейера. А суперскалярность означает одновременную работу ряда конвейеров. В процессоре был реализован и механизм предсказания переходов в программах.

Pentium содержит два 5-стадийных конвейера, которые могли (с определенными ограничениями) за один такт выполнять две идущие подряд целочисленные команды. Вдвое (до 16 Кбайтов) был увеличен объем кэш-памяти первого уровня - половина ее отведена на данные, другая на программы. Это повышает эффективность кэширования.

Все процессоры Pentium используют умножение частоты в 1,5, 2, 2,5 или в 3 раза, что позволяет применять их со стандартными шинами, которые стали самым узким местом в архитектуре современных ПК. Рабочая частота наиболее распространенных шин PCI вдвое меньше внешней максимальной тактовой частоты микропроцессоров первого поколения (50, 60 и 66 МГц) и достигает, таким образом, 33 МГц.

К другим важным техническим решениям при создании Pentium относятся:

частичное применение RISC-технологии,
разделение кэш-памяти на два блока (для данных и команд), что повышает вероятность предсказания данных и команд,
использование специального протокола обратной записи MESI, повышающего эффективность работы кэш-памяти.
увеличение разрядности шины данных с 32-х до 64-х разрядов и конвейерная обработка циклов шины данных,
контроль за четностью данных и адресов.

ти и другие технические усовершенствования существенно повысили производительность Pentium. Максимальные скорости выполнения целочисленных операций достигли величин до 320 - 400 млн. операций в секунду. Изящный и довольно прочный металлокерамический корпус процессора Pentium (рис. 2.1) обычно вставлялся в колодку на материнской плате компьютера.

Рис. 2.1. Микропроцессор Pentium (слева с открытой крышкой)

Процессор нуждался в принудительном охлаждении, поэтому на него сверху устанавливался небольшой радиатор с миниатюрным вентилятором.

1995 год: процессор Pentium® Pro

Фирма Intel в 1995 году выпустила свой новый процессор шестого поколения P6 или Pentium Pro. Новый процессор оказался почти вдвое производительней Pentium при той же технологии и при той же тактовой частоте, что было достигнуто за счет улучшения архитектурных решений.

Pentium Pro - первый микропроцессор, у которого в одном корпусе установлено два кристалла (чипа): один собственно микропроцессор, а второй - быстрая статическая кэш-память (рис. 2.2). Процессор имеет два уровня кэш памяти. Первый уровень - сверхскоростная кэш-память с объемом в 16 Кбайт. Она встроена в кристалл самого процессора и разделена на две области - данных и команд. Это сокращает время быстрого доступа к тем и другим.

Рис. 2.2. Микропроцессор Pentium Pro

На дополнительном кристалле находится кэш второго уровня на 256 или даже 512 Кбайт. Такое двойное кэширование существенно ускоряет скорость работы микропроцессора, но заметно усложняет его конструкцию и повышает стоимость. Достаточно отметить, что число транзисторов на кристалле кэш-памяти составляло 15,5 и 31 миллион, что намного превышало число транзисторов собственно микропроцессора – 5,5 миллиона. Чип процессора занимает площадь 306 кв. мм, а чип кэш-памяти - 202 кв. мм.

В Pentium Pro использован один 12-стадийный конвейер, уменьшивший время нахождения команд в работе в среднем на 33%. За один цикл Pentium Pro выполняет уже от трех до пяти команд. В процессоре используются новые эффективные методы предвидения будущего поведения команд. При этом традиционная фаза выполнения команды заменяется на две фазы - «диспетчерирование/ выполнение» и «откат». В P6 обеспечено улучшенное предсказание переходов (почти всегда правильно определяется предстоящая последовательность команд), введен анализ потоков данных. Процессор способен выполнять некоторые команды до завершения выполнения предшествующих команд. Эта новая возможность называется опережающим выполнением команд.

В целом работа Pentium Pro реализует новую технологию динамического выполнения команд. Предприняты меры по улучшению эффективности работы окружения микропроцессора, и прежде всего ускорения доступа к памяти. Указанные меры позволили увеличить производительность Pentium Pro даже более чем вдвое. Переход на новую технологию (с разрешением 0,35 мкм) позволил повысить частоты работы Pentium Pro до 200 Мгц, а затем и до еще более высоких. Практически первые Pentium Pro 200 были на 58% производительнее, чем Pentium 200.

1995 год: процессоры Pentium MMX

Начало 90-х годов характеризовалось бурным развитием мультимедиа. Этот термин произошел от слова multimedia, что в переводе означает «множественная среда». С применением мультимедиа компьютеры стали использоваться в качестве музыкальных синтезаторов, цифровых магнитофонов, проигрывателей оптических дисков и даже видеодисков с видеофильмами. Для реализации мультимедиа Intel с рядом компаний создала новую технологию MultiMedia eXtension (сокращенно MMX).

Затем она ввела ее в новое поколение микропроцессоров - класса Pentium MMX (P55C). Начинающему дряхлеть Pentium вмиг продлили жизнь. Кратко отметим, какие конкретно новинки введены в микропроцессоры Pentium MMX:

57 новых команд, оптимизированных для наиболее характерных для мультимедиа вычислений,
увеличенная до 32 Кбайт емкость кэш-памяти первого уровня,
возможность обработки за одну инструкция разом 8 байт данных (SIMD),
четыре новых типа данных (упакованные байты, слова и двойные слова, а также четверное слово),
восемь 64-разрядных регистров MMX- от MM0 до MM7, совмещенных с регистрами для выполнения операций с плавающей запятой,
повышенная скорость выполнения коротких и часто повторяющихся циклов,
увеличенное число операций умножения,
оптимизация всех алгоритмов, требующих интенсивных вычислений,
увеличение числа транзисторов с 3,3 до 4,5 миллионов.

Самой важной особенностью MMX-процессоров является возможность с помощью одной инструкции работать сразу с несколькими (до 8) данными нового типа - упакованными байтом, словом, двойным и четверным словами. Эти данные могут размещаться в любом из восьми MMX-регистров, с длиной 64 бита. Данная возможность обеспечивает групповую (иначе говорят, параллельную) быструю обработку данных Single Instruction, Multiple Data (SIMD) - одна инструкция, много данных. MMX регистры были совмещены с теми регистрами, которые в прежних Pentium служили для реализации арифметики с плавающей запятой - FPU.

1997 год: процессор Pentium® II

В 1997 г. Intel выпустила процессор Klamath, названный в дальнейшем Pentium II. Его Высочество Pentium II был представлен свету в мае 1997 года. Фактически это Pentium PRO, но с технологией MMX. Новый процессор содержит 7,5 миллиона транзисторов. Частоты процессора - 233, 266 и 300 МГц. В процессоре использована архитектура двойной независимой шины (Dual Independent Bus).

Вторая шина процессора для связи с кэш-памятью второго уровня работает на частоте 150 МГц, против 66 МГц у процессоров Pentium c общей шиной, и поддерживает групповой обмен данными. В результате производительность Pentium II несколько выше, чем у Pentium Pro. Предусмотрено параллельное выполнение двух MMX-команд и резко ускорено переключение процессора с работы с мультимедиа-командами на операции с плавающей запятой.

P

entium II поставляется в специальном довольно большом корпусе-картридже SEC (Single Edge Contact cartridge) с односторонним расположением выводов (рис. 2.3). Увы, и на этот процессор была нужна установка большого радиатора с вентилятором.

Рис. 2.3. Установка процессора Pentium II на материнскую плату компьютера

Из недостатков Pentium II можно отметить снижение скорости общения с внешней кэш-памятью второго уровня. Но более серьезен второй недостаток - ограничение предельной емкости ОЗУ. Из-за ориентации на чипсет 440FX доступный объем памяти не мог превышать 500 Мбайт. Современные профессиональные ПК и ноутбуки уже сейчас имеют близкий к этой цифре объем ОЗУ и потому применение в них Pentium II неперспективно.

1999 год: Процессор Pentium® II Xeon™

Этот процессор предназначался для мощных серверов. Он имел кэш второго уровня с размером в 512 KБ, 1 МБ и 2 МБ и мог работать с памятью до 64 Гбайт. Пожалуй, главное отличие этого процессора от других – возможность работы в многопроцессорных системах, насчитывающих до 4 микропроцессоров.

1999 год: Процессор Intel® Celeron®

Процессором Celeron Dixon Intel открыла себе дорогу на рынок дешевых ПК. Тактовая частота процессора поначалу составляла от 300 до 500 МГц. Следующий вариант Celeron имел уже более чем серьезные характеристики:

количество транзисторов: 19 млн (0,25-мкм процесс);
корпус с односторонним контактом (SEPP), 242 вывода;
корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA), 370 выводов;
частота шины: 66 МГц;
разрядность шины: 64-битная системная шина;
адресуемая память: 4 Гбайт;
применение: недорогие ПК.

Первые образцы процессора имели только кэш первого уровня L1 с емкостью 32 Кбайт. Но затем был введен и кэш второго уровня L2 с емкостью 128 Кбайт. Дешевизне процессора способствовал его упрощенный корпус с защитой кристалла лаком. Ныне Celeron - это обобщающее название для целой серии удешевленных вариантов процессоров класса Pentium.

1999 год: Процессор Pentium® III

Продолжая совершенствовать процессоры шестого поколения, Intel выпустила в 1999 г. весьма мощный по тем временам процессор Pentium III (кстати, его фирменное обозначение – Pentium !!!). Он имел следующие характеристики:

количество транзисторов: 9,5 млн (0,25-мкм процесс);
кэш L2: 512 KБ (расположен в корпусе процессора, но не на его кристалле);
тип корпуса: картридж SECC 2;
частота системной шины: 100 MГц;
разрядность шины: 64 бит;
адресуемая память: 64 Гбайт;
применение: бизнес- и потребительские ПК, одно- и двухпроцессорные серверы и рабочие станции.

Корпус процессоров Pentium II и Pentium III типа SECC 2 позволил создать достаточно дешевые процессоры. Однако «кирпич» микропроцессора напрочь исключал его применение в портативных компьютерах. Поэтому в дальнейшем были созданы микропроцессоры Pentium III в корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA) малого размера.

В мобильных Pentium III значительное внимание уделено обеспечению нормального теплового режима работы. Так, встроенный диодный датчик температуры измеряет температуру кристалла для управления тепловым режимом. Усовершенствованная технология Intel® SpeedStep™ обеспечивает автоматическое переключение процессора на большую или меньшую тактовую частоту ядра в зависимости от загрузки процессора. Технология QuickStart продлевает время работы от батарей, снижая энергозатраты в периоды бездействия пользователя. Спящий режим Deeper Sleep включается, когда компьютер не используется, снижая среднее энергопотребление и увеличивая время автономной работы

Выпускаются варианты процессора с пониженным и сверхнизким напряжением питания. Повышается производительность и увеличивается время автономной работы для тонких и легких ноутбуков. Применяются корпуса типа micro- FCPGA и micro- FCBGA. Специальные миниатюрные корпуса открывают возможность создания самых тонких и легких ноутбуков.

1999 год: Процессор Pentium® III Xeon™

В том же 1999 году Intel выпускает процессор для серверов и профессиональных ПК Pentium III Xeon. Он имеет 9,5 млн и 0,25-мкм процесс. Размер кэша L2 512 KB. Процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах (до 8 и более процессоров).

2000 год: процессор Pentium® 4

Начало третьего тысячелетия Intel отметила разработкой и производством нового мощного процессора для настольных ПК с расширенными аудио- и видео-возможностями и поддержкой высокоскоростных телекоммуникаций. Им стал микропроцессор Pentium 4 (рис. 2.4).

Он имел 42 млн транзисторов и частоту системной шины 400 MГц. Поначалу выполнялся по технологии 0,18 микрон.

Рис. 2.4. Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4

Новые процессоры выполнены по технологии 0,13 мкм в 423-контактном корпусе типа Plastic Pin Grid Array (PPGA). Intel отказалась от применения громоздкого картриджа, использованного в процессорах типа Pentium II и первых Pentium III, и перешла к миниатюрному корпусу.

Для Pentium 4 использовалась торговая марка Pentium, в продвижение которой Intel вложила огромные средства. Логотип нового процессора имеет вид, представленный на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Логотип нового микропроцессора Pentium 4

В новом процессоре рекордно большое число транзисторов – 42 миллиона (есть варианты и с 55 миллионами). Это позволило реализовать ряд новых идей в микроархитектуре микропроцессоров. Все они (конвейер удвоенной длины, скоростная системная шина, новые команды поддержки Интернета и др.) направлены на увеличение производительности нового процессора. Переход к технологии 0,13 мкм позволил увеличить частоту работы процессора до 3,05 ГГц к концу 2002 года.

Новый процессор имеет микроархитектуру с названием NetBurst. В ней используется гиперконвейерная Hyper Pipelined технология. Число этапов конвейера удвоено и теперь достигает 20. Это существенно повышает производительность процессора Intel Pentium 4 и обеспечивает резервы роста его тактовой частоты. Увы, но пока есть немного программ, которые способны реально использовать такой многостадийный конвейер.

Другое достижение - это ядро быстрого выполнения. Rapid Execution Engine. Его блоки арифметической логики работают на удвоенной, по сравнению с ядром процессора, тактовой частоте. Это позволяет процессору выполнять некоторые инструкции за половину такта. Целочисленные операции выполняются с удвоенной скоростью. До 400-МГц (втрое) повышена частота системной шины. Cкорость передачи данных между процессором Pentium 4 (первые варианты) и контроллером памяти достигает 3,2 Гбит/c.

В процессоре реализована сверхскоростная кэш-память первого уровня L1 с отслеживанием выполнения - Execution Trace Cache. В этой кэш-памяти первого уровня сохраняются декодированные команды (примерно 12 000 микрокоманд). Благодаря этому в цикле исполнения команд устраняются задержки, связанные с декодированием. Данная технология в значительной мере повышает быстродействие кэш-памяти команд и повышает эффективность использования кэша. Емкость кэша первого уровня в Pentium 4 равна 8 Кбайт, т. е. уменьшена вдвое по сравнению с процессором Pentium III. Однако время доступа сокращено более чем вдвое - до 1,41 нс.

Кэш-память процессора организована в виде 128-байтных линий с 64-байтным доступом (процессоры предыдущих поколений имели 32-байтные линии). Общая емкость кэш-памяти второго уровня L2 Advanced Transfer Cache объемом 256 КБ обеспечивает передачу данных со скоростью 48 Гбит/с, которая увеличивается пропорционально тактовой частоте ядра.

Усовершенствование системы динамического исполнения (Advanced Dynamic Execution) обеспечивает совершенный блок спекулятивных вычислений, который дает быструю загрузку вычислительных блоков. Процессор содержит также улучшенные схемы предсказания ветвлений, позволяющие ему выполнять программы в нужной последовательности и снижающие потери времени, связанные с ошибочным выбором последовательности вычислений. Роль подобных потерь оказывается более значительной при увеличении длины конвейера.

Потоковые SIMD- 2 расширения (SSE2) дополняют ранее реализованные технологии MMX™ и SSE 144 новыми инструкциями. В их числе 128-разрядные целочисленные инструкции и 128-разрядные инструкции для вычислений с плавающей точкой. Эти новые SIMD-инструкции позволяют существенно ускорить работу самых различных приложений.

В среднем процессор Pentium 4 обеспечивает более высокую производительность, чем процессоры предшествующего поколения, на 59% для кодирования видеопотоков, 38% для визуализации трехмерных поверхностей и фигур, 30% для исполнения программных модулей на языке Java, широко применяемом в Интернете.

На представлении процессора Pentium 4 была показана синтезированная компьютером девушка Ева, поведение и привлекательность которой зависели от отношения к ней пользователя. В другом видеофильме моделировалось поведение множества объектов в виртуальной комнате. Объекты вели себя в соответствии с законами оптики, механики и земного тяготения. Например, при снятии имитации земного тяготения все объекты начинали плавать в воздухе, как это имеет место в кабине космического корабля, и падали вниз при включении имитации тяготения.

2001 год : Процессор Intel® Itanium™

Процессор Intel® Itanium™ - это новый мощный 64-разрядный процессор Intel. В его основе лежит новая архитектура EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - параллельная обработка команд с явным параллелизмом). Этот процессор рассчитан на применение в мощных профессиональных компьютерах и серверах с высокой производительностью.

2002 год: Мобильный процессор Pentium 4M

Первые Pentium 4 потребляли мощность до 50 Вт и не имели особых перспектив применения в мобильных ПК – ноутбуках. Но 4 марта 2002 года корпорация Intel объявила о выпуске микропроцессора Intel® Pentium® 4M для мобильных ПК. Заодно было выпущено новое семейство чипсетов для них Intel® 845.

Новый процессор имеет развитые средства управления энергопотреблением, продлевающие время работы компьютера от батарей. Среди них;

технология Enhanced Intel® SpeedStep^TM, обеспечивающая автоматическое переключение между режимом максимальной производительности и режимом экономии энергии в зависимости от интенсивности загрузки процессора;
режим ожидания Deeper Sleep, в котором процессор работает при напряжении всего 1 В, а потребляемая мощность падает до 0,2 Вт и ниже (при этом данные приложений сохраняются);
усовершенствованная технология Intel Mobile Voltage Positioning (IMVP).

IMVP III - это технология регулирования напряжения, динамически изменяющая напряжение питания процессора в зависимости от его загрузки, снижая тем самым расчетную интенсивность тепловыделения.

2002 г.: Новые процессоры Celeron

Следующий тип мобильного процессора Celeron – Coppermine 128 K - создавался уже на основе нового микропроцессора Pentium III (Coppermine). Этот процессор в дополнение к командам мультимедиа расширения MMX поддерживал уже и серию команд SSE. Частота системной шины была повышена до 100 МГц. Типичная емкость кэш-памяти в 128 Кбайт у некоторых моделей возросла до 256 МГц.

Были выпущены микропроцессоры Celeron пониженным напряжением питания на частоты 733, 650 МГц (0,13 микрон), 600, 500 МГц и даже со сверхнизким напряжением питания на частоты 667, 650 МГц (0,13 микрон), 600 и 500 МГц. Процессоры могут работать с наборами микросхем (чипсетами) Intel®: 440ZX, 440MX, 815EM , 830MP, 830M и 830MG.Они имеют технологию QuickStart, которая продлевает работу от батарей.

В сентябре 2002 г. Intel объявила о выпуске нового поколения процессоров Celeron с рабочей частотой 2 ГГц. Частота системной шины повышена до 400 МГц. Процессоры изготавливаются по технологии 0,13 мкм и стоят около 100 $.

2002 г.: Микропроцессоры Pentium 4 с технологией Hyper-Threading и частотой 3,06 ГГц

Гонка за повышением производительности процессоров класса Pentium 4 привела к появлению в конце 2002 года новейших Pentium 4 с частотой 3,06 ГГц и с очередной новинкой из области технологий - Hyper-Threading. Суть ее заключается в «прогонке» нескольких потоков команд, программ и приложений через один процессор одновременно – пока, правда, применена «прогонка» только двух разных программ. Эту технологию поддерживает новейшая операционная система Windows XP.

2003 г.: Технология Intel Centrino

12 марта 2003 г. Intel объявляет о новой революционной технологии для создания мобильных ПК - Centrino. В нее входит новейший экономичный процессор Pentium M, чипсет 855 и сетевая продукция Intel Pro для беспроводной связи стандарта Wi-Fi 802.11. Процессор Pentium M содержит 77 миллионов транзисторов, работает с напряжениями 0,85-1,5 В и имеет частоты от 0,9 до 1,6 ГГц, объем кэш-памяти второго уровня - 2 Мбайт. Процессор создан «с нуля» и имеет множество оригинальных архитектурных решений. В их числе совершенная система динамического управления потребляемой мощностью, усовершенствованные методы прогноза команд, метод наслоения (одновременного выполнения) микроопераций и др. Средняя потребляемая мощность процессора снижена до 1 Вт при сохранении высокой производительности. Эта технология ориентирована на создание сверхтонких и легких мобильных компьютеров - ноутбуков.

2.1.4. Сравнение новых микропроцессоров класса Pentium

О данных трех последних поколений микропроцессоров Intel позволяет судить приведенная ниже таблица.

Характеристика	Pentium II	Pentium III	Pentium 4/4 M
Число транзисторов	7,5 млн.	9,5 млн.	42 - 75 млн.
Тактовая частота	0,45 ГГц	1 ГГц	1,4-3,06 ГГц и выше
Тип исполнения	Динамический	Динамический	NetBurst, Hyper-Threading
Кэш L2	Отдельный	Отдельный	На кристалле
Системная шина	100 МГц	133 МГц	400 – 533 МГц
Технология MMX	Есть	Есть	Есть
Потоковые SIMD- Расширения	Нет	Есть	Есть
Потоковые SIMD- Расширения – 2	Нет	Нет	Нет

Это сравнение позволяет еще раз сделать вывод о том, что процессор Pentium II стал бесперспективным. Его выпуск уже прекращен, тогда как выпуск Pentium III продолжается. Нишу Pentium II заняли более мощные и вполне современные микропроцессоры Celeron новых поколений.

Blog