Главная База знаний "Allbest" Программирование, компьютеры и кибернетика Технические характеристики процессоров

Технические характеристики процессоров

Изучение истории появления, назначения и основных составляющих процессоров - вычислительных устройств, состоящих из транзисторов. Анализ современной микропроцессорной технологии фирмы Intel. Развитие семейства K-6. Советы по выбору процессора Intel и AMD.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	21.11.2010
Размер файла	2,3 M

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Министерство образования Российской Федерации

Рязанская Государственная

Радиотехническая Академия

Кафедра АиММ

Курсовая работа на тему:

«Технические характеристики процессоров»

1. История появления процессоров

2. Процессор и его составляющие

3. Современная микропроцессорная технология фирмы Intel

3.1 Первые процессоры фирмы Intel

3.2 Процессор 8086/88

3.3 Процессор 80186/88

3.4 Процессор 80286

3.5 Процессор 80386

3.6 Процессор 80486

3.7 Процессор i486SX

3.8 Intel OverDrive процессор

3.9 Процессор Pentium

3.10 Процессор Pentium Pro

3.11 Intel® Pentium® 4 с технологией Hyper-Threading, Intel® Pentium® 4, Intel® Pentium® III Processor , Intel® Pentium® II-в сравнительной характеристике

3.12 Hyper-Threading: зачем она нужна

3.13 Pentium 5

4. AMD

4.1 Развитие семейства K-6

4.2 Технология 3DNow

4.3 AMD Duron 650

4.4 AMD Athlon

4.5 Чипсеты

4.6 AMD Athlon (Thunderbird) 800

4.7 AMD Athlon XP 1800+ (1533 MHz)

4.8 Athlon XP 3200+

5. Многопроцессорные системы. (SMP)

5.1 Многопроцессорные системы. Opteron

6. Советы по выбору процессора Intel и AMD

7. Другие фирмы-производители и некоторые процессоры этих фирм

8. Разгон процессора или overclocking

9.Системы охлаждения процессора

9.1 Радиаторы

9.2 Вентиляторы

1.История появления процессоров

С чего же всё началось?

Может быть, всё началось с изобретения транзистора в 1947 году?

А может, всё началось с первого электронного компьютера ENIAC (1946 г.), который умел считать на три порядка быстрее релейных машин (прорыв!). Система насчитывала 18 тыс. электронных ламп, занимала помещение 9x15 кв. метров, весила 30 т, потребляла 150 кВт, имела тактовую частоту 100 кГц (разгону не поддавалась), складывала за 0,2 мс, умножала за 2,8 мс.

И, конечно, у ENIAC имелся ворох недостатков. Во-первых, десятичная система счисления. Во-вторых, чрезвычайно сложное программирование, на перепрограммирование элементарной задачи уходили недели человекотруда. Третье вытекает из второго - очень низкая надёжность системы из-за большой зависимости от человеческого фактора, а на поиск неисправности уходили часы и даже дни.

А может, всё начиналось в 1705 году, когда Фрэнсис Хуксби изобрёл свой электростатический генератор?

Вот он, самый первый электрический генератор, основанный на трении, назывался он автором “influence machine” (машина влияний).

Началось это всё в апреле 1969 года, когда некая японская компания Busicom заказала у молодой, но уже очень амбициозной Intel несколько специальных микросхем для своих будущих калькуляторов. Сама же Intel к тому времени занималась относительно мелкими заказами типа биполярной статической памяти Шотки.

Так вот, прикинув смету на заказ японцев, Intel приходит к выводу, что необходимо разрабатывать десятки микросхем. Говорят, Les Vadasz (тогдашний президент Intel) даже грязно выругался - у них просто не было достаточно людей для подобных разработок. Кроме того, японцы хотели сделать чипам дорогостоящую (по тем временам) упаковку и программировать микросхемы на языке высокого уровня, что, естественно, скорости работы им не добавляло. Но Intel, поднапрягши свои мозги, подтвердил народную русскую пословицу о том, что голь на выдумку хитра.

Вот тут на сцену и выходит Тед Хофф младший (1937 г. рождения), который предлагает все функции возложить на один-единственный центральный процессор.

Идея нравится Бобу Нойсу (на тот момент большой шишке маленькой компании), он всячески помогает Теду продолжить свои разработки. Японские же инженеры, постоянно навещающие Санта-Клару, ставят палки в колёса нового изобретения, не принимая дизайн и идеи Теда, параллельно разрабатывая свои микросхемы. Так отвергалось изобретение, которое в будущем будет стоять в одном ряду с двигателем внутреннего сгорания, радио и электрической.лампочкой. И тем не менее, на очередном собрании где-то в октябре 1969 года японцы понимают все преимущество идеи Теда и дают полное добро на новую разработку от Intel “компьютер на чипе”.

К тому времени помогал Теду младшему некий Стен Мэйзор. Вместе они работали над системой команд, так как в архитектурных нюансах конструирования микрочипа не сильно-то и разбирались. Злые языки даже утверждают, что Хофф и Ко. “позаимствовали” систему команд из разработок IBM и Digital.

Intel постоянно искал талантливых разработчиков, и в апреле 1970 года к группе присоединяется Федерико Фэджин. Трудолюбие его не знало предела, на протяжении девяти месяцев всё возможное время Федерико посвятил разработке новых чипов.

Первый рабочий камень сошел с конвейера в январе 1971 года. Федерико получил камень около шести часов вечера, после чего заперся в лаборатории, нацепил свой футуристический (по тем временам) защитный костюм, защитные очки и стал проводить опыты. Вышел из Intel lab он только в 3 часа ночи и, качаясь от многомесячного перенапряжения, отправился домой, где его давно ожидала всё понимающая жена Эльвия. С порога бросив: “Он работает, он работает!”, он принялся её радостно обнимать.

Однако процессор содержал несколько серьёзных ошибок, и после напряженного труда, Федерико к февралю представляет вторую, подправленную, версию.

Много позже разгорятся споры, кто же из родителей первого процессора “круче”. Интересно, что об этом думают сами изобретатели:

Стен Мазор: “...самый крутой был Фэджин. Этот парень днём и ночью сидел в лабораториях и тестировал, тестировал, тестировал новое детище. Я сомневаюсь, что без Федерико этот чип действительно когда-либо заработал бы.”

Федерико Фэджин: “Ха-ха! Написать систему команд (фундаментальная работа Хоффа и Стена в 1971 году) мог каждый выпускник колледжа.”

Les Vadasz: “Безусловно, Федерико внёс огромный вклад в разработку. И, тем не менее, нельзя преуменьшать заслугу Теда Хоффа, ведь это он предложил концептуальную модель - новый скачок в информационных технологиях.”

Выходит так, что каждый внёс большой вклад в изобретение. Убрать из цепочки даже одного из них - и, вполне возможно, 4004 так бы и не увидел свет. Кроме того, задолго до 1969 года Нойс, когда он ещё работал в Fairchild Semiconductor, придумал напылять транзисторы на кремний, вместо того, чтобы изнурительным ручным трудом пытаться соединить каждый транзистор проводками с нарезанными треугольниками кремния.

Итак, 15 ноября 1971 года (в красный день календаря) Intel представила миру свой новый микрочип. Официальный День Рождения Процессора состоялся!

Характеристика нового чипа:

4-разрядный, 2300 р-канальных МОП-транзисторов, кристалл площадью 3,8x2,8мм, тактовая частота 108кГц.

Обеспечивал адресацию 4Кб ПЗУ и 512байт ОЗУ.

Позже, в 1974 году Федерико уйдёт из Intel, основывает свою компанию Zilog которая будет напрямую конкурировать с Intel.

После его ухода роль Фэджина в создании i4004 будет всячески преуменьшаться менеджерами Intel. Имя Федерико в Санта-Кларе будет всеми силами придаваться забвению.

Производство первого процессора постоянно затягивалось, что никак не радовало Busicom. Прежде всего, из-за растущей конкуренции на рынке калькуляторов. Получилось так, что к выходу i4004 Busicom просто не имел необходимой суммы денег на оплату услуг Intel. И тогда принимается соломоново решение: Intel урезает стоимость контракта на 60 тыс. долларов, но при этом все права на новую разработку остаются у Intel.

Запатентовали новое изобретение на имя всем известной, всеми любимой троицы: Хоффа, Мазора и Фэджина.

Как ни странно, рынок далеко не сразу хорошо принял нововведение. Пройдут годы и десятилетия, прежде чем новое изобретение раскроется во всей красе. Маркетологи Intel на всевозможных форумах и выставках достижений будут рассказывать о своём изобретении и его преимуществах, в космос полетит спутник, в сердце которого будет биться 4004, заработают калькуляторы в конце концов обанкротившейся Busicom.

И, тем не менее, Intel всерьёз воспринимать не будут. Стандартное мнение середины 70-ых, главный инженер DEC:

“Intel никогда не будет представлять серьёзной угрозы. Мы не берём их в расчет”.

Пройдёт 10 лет со времени изобретения первого процессора. И тогда Intel заговорит со всеми конкурентами в полный голос.

2. Процессор и его составляющие

Но время неумолимо шло и сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне.

Но перейдём к самому процессору и его компоненты:

1. Процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -- транзисторов

2. Сопроцессор -- специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.

3. Кэш-память.

Кэш-памяти в процессоре имеется двух видов.

Самая быстрая -- кэш-память первого уровня (32 КБайт у процессоров Intel и до 64 КБайт -- в последних моделях AMD). Существует еще чуть менее быстрая, но зато -- более объемная кэш-память второго уровня -- и именно ее объемом различаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью -- мощный Xeon (2 Мбайт). У Pentium размер КЭШа второго уровня почти в 10 раз меньше -- 256 КБайт, ну a Celeron вынужден обходиться всего 128 КБайт! А значит, при работе с программами, требовательными к объему кэш-памяти, «домашний» процессор будет работать чуть медленнее. Зато и стоимость его в два-три раза ниже: кэш-память -- самый дорогой элемент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла возрастает в геометрической прогрессии!

Трудно поверить, что все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже через год на смену ему должна прийти медь). Их размер поражает воображение -- десятые доли микрона! Например, в 1999 году большая часть процессоров производилась по 0,25-микронной технологии, в 2000 году ей на смену пришла 0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается, что в течение ближайших двух лет плотность расположения элементов на кристалле увеличится еще в 2 раза.

Впрочем, при выборе микропроцессора мы руководствуемся отнюдь не «микронностью» технологии, по которой этот процессор сделан. Существуют другие, гораздо более важные для нас характеристики процессора, которые прямо связаны с его возможностями и скоростью работы.

4.Тактовая частота.

Скорость работы -- конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Хотя лишь немногие пользователи понимают, что, собственно, он означает. Ведь для нас, неспециалистов, важно лишь то, насколько быстро новый процессор может работать с нужными нам программами -- а как, спрашивается, оценить эту скорость?

У специалистов существует своя система измерения скорости процессора. Причем таких скоростей (измеряемых в миллионах операций в секунду -- MIPS) может быть несколько -- скорость работы с трехмерной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

Не слишком удобно. Поэтому большинство пользователей, говоря о скорости процессора, подразумевает совсем другой показатель. А называется он тактовой частотой. Эта величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды. Тактовая частота обозначается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-1200, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 1200 МГц или 1,2 ГГц).

5.Поколения процессоров.

Отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом... словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем -- к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

Будем брать за точку отсчета изделия «королевы» процессорного рынка, корпорации Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

6.Модификация.

В каждом поколении имеются модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в славном семействе Pentium числятся три «брата» -- старший, Xeon, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средний братец, собственно Pentium, трудится на производительных настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ Celeron верно служит простому люду на домашних компьютерах. Схожая ситуация -- и в конкурирующем с Intel семействе процессоров AMD, Для дорогих настольных компьютеров и графических станций фирма предлагает процессоры Athlon, а для недорогих домашних ПК предназначен другой процессор -- Duron.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800... Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее -- на 10--15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации. Например, в процессорах Intel начиная с Pentium появилась новая система команд для обработки мультимедиа-информации ММХ, a Pentium III дополнительно оснащен новой системой инструкций SSL.

7.Частота системной шины.

Последний технологический параметр процессора, с которым нам придется столкнуться в рамках этой главы. Связан он уже с совершенно другим устройством -- материнской платой. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой бегут от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины -- тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота -- это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину. Например, частота процессора 500 МГц -- это частота системной шины в 100 МГц умноженная на коэффициент 5.

Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах системной шины 100 и 133 МГц. А частота для старых моделей Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц. На такой частоте медленнее работает не только процессор, но и вся система. Правда, в конце 2000 года на рынке появились новые модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium 4 к этому времени перешел на новую частоту системной шины -- 133 МГц, так что отставание дешевых процессоров от дорогих сохранилось.

Схожая ситуация наблюдается и у процессоров AMD -- правда, последние за счет умения. Вот так и объясняется парадокс -- частоты процессоров одинаковы, ну а скорости работы компьютеров отличаются на десятки процентов. Правда, частенько отчаянные умельцы принудительно заставляют процессор работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. Это издевательство называется в компьютерных кругах «разгоном» и, в случае удачи, резко повышает производительность компьютера. Так, поднятие частоты системной шины для процессора Celeron-600 (коэффициент умножения 9) с 66 до 100 МГц не только «взбадривает» скорость обмена данными по системной шине, на и повышает скорость работы самого процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не все процессоры выдерживают «разгон» -- большинство в лучшем случае откажется работать, ну а в худшем -- выйдет из строя...

3. Современная микропроцессорная технология фирмы Intel

Достижения фирмы Intel в искусстве проектирования и производства полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры в все более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время работают с комплиментарным технологическим процессом метал - 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 металл и имеет уровень, более высокий по сравнению с оригинальной 1.0 микронной технологией двухслойного металла, используемой в процессоре Intel486.

3.1 Первые процессоры фирмы Intel

За 20-летнюю историю развития микропроцессорной техники, ведущие позиции в этой области занимает американская фирма Intel (INTegral ELectronics). До того как фирма Intel начала выпускать микрокомпьютеры, она разрабатывала и производила другие виды интегральных микросхем. Главной ее продукцией были микросхемы для калькуляторов. В 1971 г. она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. Фирма первоначально продавала его в качестве встроенного контроллера (что-то вроде средства управления уличным светофором или микроволновой печью). 4004 был четырехбитовым, т.е. он мог хранить, обрабатывать и записывать в память или считывать из нее четырехбитовые числа. После чипа 4004 появился 4040, но 4040 поддерживал внешние прерывания. Оба чипа имели фиксированное число внутренних индексных регистров. Это означало, что выполняемые программы были ограничены числом вложений подпрограмм до 7.

В 1972 г., т.е. спустя год после появления 4004, Intel выпустила очередной процессор 8008, но подлинный успех ей принес 8-битный микропроцессор 8080, который был объявлен в 1973 г. Этот микропроцессор получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей стране его аналог - микропроцессор KP580ИК80 применяется во многих бытовых персональных компьютерах и разнообразных контроллерах. С чипом 8080 также связано появление стека внешней памяти, что позволило использовать программы любой вложенности.

Процессор 8080 был основной частью первого небольшого компьютера, который получил широкое распространение в деловом мире. Операционная система для него была создана фирмой Digital Research и называлась Control Program for Microcomputers (CP/M).

3.2 Процессор 8086/88

В 1979 г. фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086, возможности которого были близки к возможностям процессоров миникомпьютеров 70-х годов. Микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое называют семейством 80x86 или х86.

Hесколько позже появился микропроцессор 8088, архитектурно повторяющий микропроцессор 8086 и имеющий 16-битный внутренние регистры, но его внешняя шина данных составляет 8 бит. Широкой популярности микропроцессора способствовало его применение фирмой IBM в персональных компьютерах PC и PC/XT.

3.3 Процессор 80186/88

В 1981 г. появились микропроцессоры 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру микропроцессоров 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. Кроме того, была несколько расширена система команд. Однако широкого распространения эти микропроцессоры (как и персональные компьютеры PCjr на их основе), не получили.

3.4 Процессор 80286

Следующим крупным шагом в разработке новых идей стал микропроцессор 80286, появившийся в 1982 году. При разработке были учтены достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров. Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях PS/2.

3.5 Процессор 80386

При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось решить две основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса (Real Adress Mode) или R-режим.

В Р - режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти, ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.

Микропроцессор 80386 дает разработчику систем большое число новых и эффективных возможностей, включая производительность от 3 до 4 миллион операций в секунду, полную 32-битную архитектуру, 4 гигабитное (2 байт) физическое адресное пространство и внутреннее обеспечение работы со страничной виртуальной памятью.

Несмотря на введение в него последних достижений микропроцессорной техники, 80386 сохраняет совместимость по объектному коду с программным обеспечением, в большом количестве написанным для его предшественников, 8086 и 80286. Особый интерес представляет такое свойство 80386, как виртуальная машина, которое позволяет 80386 переключаться в выполнении программ, управляемых различными операционными системами, например, UNIX и MS-DOS. Это свойство позволяет производителям оригинальных систем непосредственно вводить прикладное программное обеспечение для 16-битных машин в системе на базе 32-битных микропроцессоров. Операционная система P-режима может создавать задачу, которая может работать в режиме виртуального процессора 8086 (Virtual 8086 Mode) или V-режим. Прикладная программа, которая выполняется в этом режиме, полагает, что она работает на процессоре 8086.

32-битная архитектура 80386 обеспечивает программные ресурсы, необходимые для поддержки "больших " систем, характеризуемых операциями с большими числами, большими структурами данных, большими программами (или большим числом программ) и т.п. Физическое адресное пространство 80386 состоит из 2 байт или 4 Гбайт; его логическое адресное пространство состоит из 2 байт или 64 терабайт (Тбайт). Восемь 32-битных общих регистров 80386 могут быть взаимозаменяемо использованы как операнды команд и как переменные различных способов адресации. Типы данных включают в себя 8-, 16- или 32-битные целые и порядковые, упакованные и неупакованные десятичные, указатели, строки бит, байтов, слов и двойных слов. Микропроцессор 80386 имеет полную систему команд для операций над этими типами данных, а также для управления выполнением программ. Способы адресации 80386 обеспечивают эффективный доступ к элементам стандартных структур данных: массивов, записей, массивов записей и записей, содержащих массивы.

Микропроцессор 80386 реализован с помощью технологии фирмы Intel CH MOSIII - технологического процесса, объединяющего в себе возможности высокого быстродействия технологии HMOS с малым потреблением технологии кмоп. Использование геометрии 1,5 мкм и слоев металлизации дает 80386 более 275000 транзисторов на кристалле. Сейчас выпускаются оба варианта 80386, работающих на частоте I2 и I6 МГц без состояний ожидания, причем вариант 80386 на 16 МГц обеспечивает скорость работы 3-4 миллиона операций в секунду.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта (в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.

3.6 Процессор 80486

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд. Восьмикилобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 Мгерц гарантируют высокую производительность системы даже с недорогими дисками (DRAM). Новые возможности расширяют многозадачность систем. Новые операции увеличивают скорость работы с семафорами в памяти. Оборудование на микросхеме гарантирует непротиворечивость кэш-памяти и поддерживает средства для реализации многоуровневого кэширования. Встроенная система тестирования проверяет микросхемную логику, кэш-память и микросхемное постраничное преобразование адресов памяти. Возможности отладки включают в себя установку ловушек контрольных точек в выполненяемом коде и при доступе к данным. Процессор i486 имеет встроенный в микросхему внутренний кэш для хранения 8Кбайт команд и данных. Кэш увеличивает быстродействие системы, отвечая на внутренние запросы чтения быстрее, чем при выполнении цикла чтения оперативной памяти по шине. Это средство уменьшает также использование процессором внешней шины. Внутренний кэш прозрачен для работающих программ. Процессор i486 может использовать внешний кэш второго уровня вне микросхемы процессора. Обычно внешний кэш позволяет увеличить быстродействие и уменьшить полосу пропускания шины, требуемую процессором i486.

3.7 Процессор i486SX

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже

предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно - реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт

3.8 Intel OverDrive процессор

Возможность постоянного совершенствования. Пользователи персональных компьютеров все чаще сталкиваются с этим по мере все возрастающих требований к микропроцессорам со стороны аппаратного и программного обеспечения. Фирма Intel уверена: лучшая стратегия совершенствования - первоначально заложенная в систему возможность модернизации, модернизации согласно вашим нуждам. Впервые в мире такая возможность предоставляется нашим потребителям. Фирма Intel приступила к выпуску Intel OverDrive процессора, открывающего новую категорию мощных сопроцессоров. После простой установки этого сопроцессора на плату резко вырастет скорость работы всей системы и прикладных программ в MS-DOS, Windows, OS/2, Windows'95 и UNIX.

С помощью этой одной-единственной микросхемы Вы сразу же сможете воспользоваться преимуществами новой стратегии фирмы Intel, заложенной в нашей продукции. Когда настанет неотвратимый момент, когда Вам потребуется производительность большая, чем у Вашего компьютера, то все, что Вам будет нужно - это вставить OverDrive процессор в Вашу систему - и пользоваться преимуществами, которые даст Вам новая микропроцессорная технология фирмы Intel. Более чем просто модернизация, OverDrive процессор - это стратегия защиты Ваших настоящих и будущих вкладов в персональные компьютеры.

Intel OverDrive процессор гарантирует Вам отвечающую стандартам и экономичную модернизацию. Всего лишь одна микросхема увеличит вычислительную мощь Вашего компьютера до требований самого современного программного обеспечения и даже тех программ, которые еще не написаны, в MS-DOS, в Windows, в PS/2, в UNIX, от AutoCAD - до WordPerfect.

Итак, наш первый микропроцессор в серии Single Chip Upgrade (Качественное улучшение - одной микросхемой) - это OverDrive процессор для систем на основе Intel i486SX. Установленный в OverDrive - разъем, этот процессор позволяет системе i486SX использовать новейшую технологию "удвоения скорости", используемую в процессоре i486DX2, и дающую общее увеличение производительности до 70%. OverDrive процессор для систем i486SX содержит модуль операций над целыми числами, модуль операций над числами с плавающей точкой, модуль управления памятью и 8К кэш-памяти на одном кристалле, работающем на частоте, в два раза превышающей тактовую частоту системной шины. Это уникальное свойство позволяет Вам удвоить тактовую частоту Вашей системы, не тратясь на покупку и установку других дополнительных компонентов. OverDrive процессор удвоит, например, внутреннюю частоту МП i486SX 25 МГц до 50 МГц.

Хотя Intel OverDrive - это совершенно новая технология качественной модернизации, в нем узнаются и фамильные черты Intel. Изготовленный и испытанный в соответствии с жесткими стандартами Intel, OverDrive отличается зарекомендовавшими себя свойствами продукции Intel: качеством и надежностью. OverDrive обеспечен постоянной гарантией и привычным сервисом и поддержкой во всем мире. OverDrive полностью совместим более чем с 50000 прикладных программ. OverDrive процессор для i486SX - только первый из наших новых процессоров. Во втором полугодии 1992 года мы выпустим OverDrive процессор для систем i486DX2, самих по себе представляющих новое поколение технологии МП. Мощный и доступный, OverDrive процессор проложит для Вас непрерывный путь к качественно новым уровням производительности персональных компьютеров.

Hекоторые результаты лабораторных испытаний Intel OverDrive процессора:

1. Работа с Microsoft Word for Windows 6.1 в среде Windows

3.0, популярным текстовым процессором.

Тест исполнялся на системе с i486SX 20 МГц с файлом 330 КВ. WordPerfect, преобразованном в формат Windows Word, было выполнено 648 контекстных поисков и замен, проверка правописания во всем файле, затем файл был сохранен.

Время исполнения:

2. Работа с Lotus 1-2-3 Release 3.0, электронной таблице, приближающейся по возможностям к интегрированной среде, обладающей широким выбором аналитических, экономических и статистических функций.

Тест исполнялся на i486SX 20 МГц с таблицей объемом 433К на 10000 ячеек, которая была загружена и пересчитана. Кроме того, был обработан большой блок текстовых данных.

3. Работа с AutoCAD, популярной системой САПР.

Тест исполнялся на i486SX 20 МГц с трехмерным архитектурным чертежом, над которым выполнялись операции перечеркивания, панорамирования, масштабирования, удаления скрытых линий и повторной генерации файла во внешнем формате.

А вот что говорят об OverDrive процессоре те, кому уже посчастливилось поработать с ним:

Брент Грэхэм: (специалист по автоматизации офисов, US Bank, Портленд) "С теми возможностями модернизации, которые предоставляет Intel 486, я не вижу причин не использовать OverDrive процессор. Что касается его установки в систему, то с этим справится даже мой 10-летний сынишка."

БиллЛодж:(руководительпроектнойгруппы,

Corporation, Нью - Йорк) "Я работал с Windows и OS/2 в сети Banyan Wines, используя OverDrive процессор без единой заминки. Моя усовершенствованная система с i486SX 25 МГц работает не хуже, чем системы на 50 МГц."

Стив Симмонс: (техническийменеджер, Даллас)

"Windows визжит от счастья, когда работает с OverDrive процессором. Расчеты на электронной таблице в Excel выполняются мгновенно."

3.9 Процессор Pentium

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. Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего тестирования. 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.

Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. 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.

Многочисленные нововведения - характернаяособенность

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. Cуперскалярная 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.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд может быть выполнено за одно и то же время.

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 главную память в режиме обратной записи. Такая техника кэширования дает лучшую производительность, чем простое кэширование с непосредственной записью, при котором процессор записывает данные одновременно в кэш и основную память. Тем не менее, Pentium процессор способен динамически конфигурироваться для поддержки кэширования с непосредственной записью.

Таким образом, кэширование данных использует два различных великолепных решения: кэш с обратной записью и алгоритм, названный MESI (модификация, исключение, распределение, освобождение) протокол. Кэш с обратной записью позволяет записывать в кэш без обращения к основной памяти в отличие от используемого до этого непосредственного простого кэширования. Эти решения увеличивают производительность посредством использования преобразованной шины и предупредительного исключения самого узкого места в системе. В свою очередь MESI-протокол позволяет данным в кэш-памяти и внешней памяти совпадать - великолепное решение в усовершенствованных мультипроцессорных системах, где различные процессоры могут использовать для работы одни и те же данные.

Блок предсказания правильного адреса перехода - это следующее великолепное решение для вычислений, увеличивающее производительность посредством полного заполнения конвейеров командами, основанное на предварительном определении правильного набора команд, которые должны быть выполнены.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных видеоприложений, как CAD и 3D-графика.

Pentium процессор снаружи представляет собой 32-битовое устройство. Внешняя шина данных к памяти является 64-битовой, удваивая количество данных, передаваемых в течение одного шинного цикла. Pentium процессор поддерживает несколько типов шинных циклов, включая пакетный режим, в течение которого происходит порция данных из 256 бит в кэш данных и в течение одного шинного цикла.

Шина данных является главной магистралью, которая передает информацию между процессором и подсистемой памяти. Благодаря этой 64-битовой шине данных, Pentium процессор существенно повышает скорость передачи по сравнению с процессором Intel486 DX - 528 MB/сек для 66 МГц, по сравнению со 160 MB/сек для 50 МГц процессора Intel486 DX. Эта расширенная шина данных способствует высокоскоростным вычислениям благодаря поддержке одновременной подпитки командами и данными процессорного блока суперскалярных вычислений, благодаря чему достигается еще большая общая производительность Pentium процессора по сравнению с процессором Intel486 DX.

Давая возможность разработчикам проектировать системы с управлением энергопотреблением, защитой и другими свойствами, Pentium процессор поддерживаем режим управления системой (SMM), подобный режиму архитектуры Intel SL.

Вместе со всем, что сделано нового для 32-битовой микропроцессорной архитектуры фирмы Intel, Pentium процессор сконструирован для легкой наращиваемости с использованием архитектуры наращивания фирмы Intel. Эти нововведения защищают инвестиции пользователей посредством наращивания производительности, которая помогает поддерживать уровень продуктивности систем, основанных на архитектуре процессоров фирмы Intel, больше, чем продолжительность жизни отдельных компонентов. Технология наращивания делает возможным использовать преимущества большинства процессоров усовершенствованной технологи в уже существующих системах с помощью простой инсталляции средства однокристального наращивания производительности. Например, первое средство наращивания - это OverDrive процессор, разработанный для процессоров Intel486 SX и Intel486 DX, использующий технологию простого удвоения тактовой частоты, использованную при разработке микропроцессоров Intel486 DX2.

Первые модели процессора Pentium работали на частоте 60 и 66 МГц и общались со своей внешней кэш-памятью второго уровня по 64-битовой шине данных, работающей на полной скорости процессорного ядра. Hо если скорость процессора Pentium растет, то системному разработчику все труднее и дороже обходится его согласование с материнской платой. Поэтому быстрые процессоры Pentium используют делитель частоты для синхронизации внешней шины с помощью меньшей частоты. Hапример, у 100 МГц процессора Pentium внешняя шина работает на 66 МГц, а у 90 МГц - на 60 МГц. Процессор Pentium использует одну и ту же шину для доступа к основной памяти и к периферийным подсистемам, таким как схемы PCI.

3.10 Процессор Pentium Pro

Общее описание.

Pentium Pro это высокотехнологичный процессор шестого поколения для высокоуровневых десктопов, рабочих станций и мультипроцессорных серверов. Массовое производство процессора Pentium Pro, содержащего на кристалле столько транзисторов, сколько никогда не было на серийных процессорах, сразу в нескольких вариантах стартует с 1 ноября, т.е. с самого момента объявления. Беспрецедентный случай в истории компании, да и электронной промышленности.

Hапомним некоторые его особенности. Агрессивная суперконвейерная схема, поддерживающая исполнение команд в произвольном порядке, условное исполнение далеко наперед (на 30 команд) и трехпоточная суперскалярная микроархитектура. Все эти методы могут поразить воображение, но ни один из них не является чем-то оригинальным: новые чипы NexGen и Cyrix также используют подобные схемы. Однако, Intel обладает ключевым превосходством. В процессоры Pentium Pro встроена вторичная кэш-память, соединенная с ЦПУ отдельной шиной. Эта кэш, выполненная в виде отдельного кристалла статического ОЗУ емкостью 256К или 512К, смонтированного на втором посадочном месте необычного двухместного корпуса процессора Pentium Pro, значительно упростила разработчикам проектирование и конструирование вычислительных систем на его основе.

Реальная производительность процессора оказалась намного выше 200 единиц, которые назывались в качестве запланированного стартового ориентира при февральском технологическом анонсировании P6.

Pentium Pro это значительный шаг вперед. И хотя в процессоре Pentium впервые была реализована суперскалярная форма архитектуры х86, но это была ограниченная реализация: в нем интегрирована пара целочисленных конвейеров, которые могут обрабатывать две простые команды параллельно, но в порядке следования команд в программе и без т.н. условного исполнения (наперед). Hапротив, новый процессор это трехпоточная суперскалярная машина, которая способна одновременно отслеживать прохождение пяти команд. Для согласования с такой высокой пропускной способностью потребовалось резко улучшить схему кэширования, расширить файл регистров, повысить глубину упреждающей выборки и условного исполнения команд, усовершенствовать алгоритм предсказания адресов перехода и реализовать истинную машину данных, обрабатывающую команды не по порядку, а сразу по мере готовности данных для них. Ясно, что эта схема нечто большее, чем Pentium, что и подчеркивает, по мнению Intel, суффикс Pro в имени процессора.