Этапы развития ЭВМ

Введено расширение архитектуры (относительно базовой архитектуры 32-х разрядных МП) – добавлены новые регистры и команды. Сюда входит, например, инструкция CPUID, позволяющая в любой момент времени получить сведения о классе, модели и архитектурных особенностях данного ЦП. К расширению также относятся и регистры, специфические для модели, их можно разделить на 3 группы:

                          тестовые регистры TR1...TR12. Они позволяют управлять большинством функциональных узлов ЦП, обеспечивая возможность тестирования их работоспособности: с помощью битов регистра TR12 можно запретить новые архитектурные свойства (предскизиние и трассировку ветвлений, параллельное выполнение инструкций), а также работу кэша L1.

                          средства мониторинга произволительности . Сюда входят таймер реального времени (TSC) – 64 битный счётчик, работающий на инкремент с каждым тактом ядра ЦП, для его чтения предназначена команда RDTSC; счётчики событий CTR0 и CTR1 – оба разрядностью 40 бит, программируются на подсчёт событий различных классов, связанных с шинными операциями, исполнением инструкций, работой конвейеров, кэша и т.п.

                          регистры-фиксаторы адреса и данных цикла, вызвавшего срабатывание контроля машинной ошибки.

Применено выявление ошибок внутренних устройств (внутренний контроль паритета) и внешнего интерфейса шины, контроль паритета шины адреса.

В состав чипа введён APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) – расширенный программируемый контроллер прерываний.

Реализована возможность построения многопроцессорных (максимальное количестно ЦП – 2 штуки) систем двух типов: SMP – синхронная многопроцессорная обработка, и FRC – функционально избыточная система.

Режим SMP (поддерживают процессоры Pentium начиная со второго поколения – Pentium 75 и далее). Каждый ЦП выполняет свою задачу, порученную ему операционной системой (Novell NetWare, OS/2, Windows NT, UNIX). При этом оба ЦП разделяют общие ресурсы компьютера, включая память и внешние устройства. В каждый момент времени шиной может управлять только один процессор из двух, по определённым правилам они меняются ролями. Для обработки аппаратных прерываний традиционные аппаратные средства становятся непригодными, так как пежняя схема подачи запроса INTR и передачи вектора в цикле INTA# ориентирована на единственность ЦП. Для решения этой задачи в структуру Pentium начиная со второго поколения был включён APIC. Этот контроллер имеет внешние сигналы локальных прерываний (LINT) и трёхпроводную интерфейсную шину, по которой  оба процессора связываются с контроллером перываний на системной плате. Запросы локальных прерываний обслуживает процессор, на выводы которого поступают их сигналы; общие (разделяемые) прерывания приходят к процессорам в виде сообщений по интерфейсу APIC. Таким образом, контроллеры APIC каждого из процессоров и контроллер прерываний на системной плате, связанные интерфейсом APIC выполняют маршрутизацию прерываний.

В режиме FRC оба процессора (один – Master, второй – Checker) выступают как один логический. Основной процессор (Master) работает в обычном однопроцессорном режиме. Проверяющий (Checker) выполняет все те же операции вхолостую, не управляя шиной, и сравнивает выходные сигналы основного с теми, которые генерирует он сам. В случае обнаружения расхождения вырабатывается сигналл ошибки IERR, который может обрабатываться как прерывание.

При построении многопроцессорной системы можно использовать поцессоры разного степпинга, но частоты ядра должны совпадать (шина синхронизируется общим сигналом).

8.3 Pentium MMX

В 1996 году Intel разработала процессор с новым расширением, ориентированным на применение в мультимедиа, 2D и 3D графику. Итак, P55C это:

Увеличенные кэши команд и данных – по 16К каждый.

Расширенная CMOS (E-CMOS) технология позволила расположить на кристалле 4.5 миллионов транзисторов.

Увеличено количество ступеней конвейера.

Улучшен способ предсказания ветвлений (он был позаимствован у Pentium PRO).

Количество буферов записи увеличено вдвое, их теперь четыре.

Для мультипроцессорной системы реализован только режим SMP, FRC исключён.

На кристалле расположен новый блок – блок MMX (Multi Media Extention), который позволяет обрабатывать целочисленные данные (определённого типа – нового) методом SIMD (Single Instruction Multiple Data) – одна инструкция параллельно обрабатывает несколько данных. Для реализации блока MMX были введены:

- восемь дополнительных 64-битных регистра (ММ0...ММ7)

четыре новых целочисленных типа данных. Регистры MMX могут содержать упакованные 64-битные типы данных – упакованные байты, упакованные слова, упакованные двойные слова и квадро-слова.

- 57 новых инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных одновременно.

На самом деле, регистры MMX физически расположены в стеке регистров FPU, так что новых регистров этот процессор не предоставляет, и чередование использования программой инструкций FPU и MMX приводит к снижению эффективности работы, связанному с необходимостью пересылок данных из стека в память и обратно. В принципе, эффективность MMX вызывает некоторые сомнения, так как те функции, для которых они целесообразны, с неоспоримо большим успехом выполняются графическими акселераторами, которые уже стали обыденными . К тому же для использования новых команд необходима перекомпиляция ПО. Можно предположить, что введение MMX является первой ступенью в маниакальном стремлении Intel перенести всю работу в ПК на плечи центрального процессора, получившем дальнейшее распространение в Katmai (Pentium III) в виде новых KNI (SSE)-команд.

8.4 Pentium PRO

Революционная вещь в своём роде. Выпущен в 1995 году. Первые экземпляры были выполнены по 0.6 мкм BiCMOS-технологии. Тройная суперскалярная архитектура (конвейер имеет 12 уровней и поддерживает динамическое выполнение инструкций) – возможно выполнение 3-х команд за такт. Семейство процессоров Pentium Pro - это следующее поколение высокопроизводительных изделий Intel для мощных настольных компьютеров, рабочих станций и серверов. Это семейство включает в себя процессоры с тактовой частотой от 150 Mгц и выше, которые легко объединяются в многопроцессорные системы до четырех процессоров в каждой. Преимущество в производительности процессора Pentium Pro над предыдущими поколениями процессоров достигается за счет технологии, называемой Динамическим Исполнением. Это следующий этап развития суперскалярной архитектуры, ранее реализованной в процессорах Pentium, который позволил широко использовать трехмерную визуализацию и интерактивные возможности, необходимые для современных коммерческих и технических приложений и развивающихся приложений завтрашнего дня. Надежность и сервисные средства процессора Pentium Pro важны для наиболее ответственных приложений.

Основные характеристики

- Тактовая частота ядра 150, 166, 180 и 200 Mгц

- Совместим по кодам с приложениями, работающими с предыдущими семействами процессоров Intel

- Оптимизирован для 32-разрядных приложений, работающих под управлением современных 32-разрядных операционных систем

- Микроархитектура с Динамическим Исполнением

- Единый корпус содержит процессор Pentium Pro, кэш-память и интерфейс системной шины

- Наращивается до четырехпроцессорной системы с 4Гб памяти

- Раздельные внешняя системная шина и внутренняя полноскоростная шина кэш-памяти

- Раздельные неблокируемая кэш-память данных и инструкций размером 8Kб/8Kб

- Интегрированная неблокируемая кэш-память второго уровня 256 или 512 Kб

- Средства сохранения целостности данных: аппаратная коррекция ошибок (ECC), анализ ошибок и восстановление данных, проверка функциональной избыточности

8.5 Intel Pentium II

Фактически Pentium II является продолжением линейки Pentium PRO с новыми усовершенствованиями а также упрощениями, введёнными для удешевления себестоимости процессора. Эта модель появилась в 1997 году.

Процессор Pentium II с тактовой частотой 266 МГц, согласно стандартным эталонным тестам, обеспечивает повышение производительности от 1.6x до 2x по сравнению с процессором Pentium-200 МГц, и более, чем в 2 раза при оценке с помощью мультимедийных тестов.

- Как и процессор Pentium Pro, процессор Pentium II использует архитектуру двойной независимой шины, повышающую пропускную способность и производительность.

- Использует новую технологию корпусов - картридж с односторонним контактом (Single Edge Contact - S.E.C.)

- Оптимизирован для работы с 32-разрядными приложениями и операционными системами.

- 32 Kб (16K/16K) неблокируемой кэш первого уровня. 512Kб общей неблокируемой кэш второго уровня.

- Для масштабируемых систем обеспечивает поддержку двух процессоров и до 64 Гб физической памяти.

- Высокая интеграция данных и надежность обеспечивается системной шиной с ECC, анализом отказов, функцией восстановления и проверкой функциональной избыточности.

Особенности

В процессоре Pentium II соединены лучшие свойства процессоров Intel: производительность процессора Pentium Pro, достигнутая с помощью использования метода динамического исполнения, и возможности технологии MMX, обеспечивающей новый уровень производительности пользователям ПК.

Процессор Pentium II имеет дополнительные возможности работы с бизнес-приложениями с интенсивным использованием средств связи, мультимедиа и Internet. Программы, разработанные для технологии Intel MMX, обеспечивают полноэкранное живое видео, расширенную цветовую гамму, реалистичную графику и другие возможности мультимедиа. В системы на базе процессоров Pentium II включены новые функции, упрощающие управление системой и снижающие совокупную стоимость владения ПК как в малом, так и в большом бизнесе.

Описание процессора

Семейство процессоров Intel Pentium II включает процессоры с тактовыми частотами 233 и 266 МГц для настольных ПК, рабочих станций и серверов и с тактовой частотой 300 МГц для рабочих станций. Все они совместимы по кодам с предыдущими поколениями процессоров Intel. Процессоры Pentium II обеспечивают максимальную производительность приложений при работе в оперативных системах Windows 95, Windows NT и UNIX.

Процессор Pentium II содержит 7.5 млн транзисторов и производитс по 0.35 мкм технологии с использованием процесса CMOS. Процессор выпускается в корпусе с односторонним контактом (Single Edge Contact), обеспечивающем простоту установки и гибкую архитектуру системной платы.

Существенное увеличение производительности процессоров Pentium II, по сравнению с предыдущими процессорами архитектуры Intel, основано на сочетании технологии процессора Pentium Pro с технологией Intel MMX. Результатом являетс более высокая производительность приложений и дополнительные возможности при работе с программами, использующими преимущества технологии MMX.

Технология Динамического Исполнения процессора Pentium Pro

- Множественное предсказание ветвлений: предсказывает направления ветвлени программы, увеличивая загруженность процессора.

- Анализ потока данных: в результате анализа зависимости инструкций друг от друга процессор разрабатывает оптимизированный график их выполнения.

- Спекулятивное исполнение: исполняет инструкции в соответствии с оптимизированным графиком (спекулятивно), обеспечивая загруженность блоков суперскалярного исполнения и повышая общую производительность.

Технология MMX

Технология MMX содержит новые инструкции и типы данных, позволяющие достигать новых уровней производительности. Технологи MMX представляет собой набор базовых целочисленных инструкций общего назначения, которые могут быть легко использованы в мультимедийных и коммуникационных приложениях. Основные особенности технологии MMX:

- Использование метода обработки множественных данных в одной инструкции (Single Instruction, Multiple Data - SIMD)

- 57 новых инструкций

- Восемь 64-разрядных регистров

- Четыре новых типа данных

Другие возможности

- Высокопроизводительная архитектура двойной независимой шины (системная шина и шина кэш) обеспечивает повышение пропускной способности и производительности, а также масштабируемость при использовании будущих технологий.

- Системная шина поддерживает множественные транзакции, что повышает пропускную способность. Она обеспечивает поддержку до двух процессоров, что позволяет получить недорогое решение, обеспечивающее существенное повышение производительности многозадачных операционных систем и приложений.

- 512 Kб общей неблокируемой кэш-памяти второго уровн повышают производительность, снижая среднее время доступа к памяти и обеспечивая быстрый доступ к используемым инструкциями и данным. Производительность повышается и за счет использования выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Тактовая частота шины кэш второго уровня определяется тактовой частотой процессора. Так, если частота процессора составляет 266 МГц, то частота шины кэш равна 133 МГц, что вдвое больше скорости доступа к кэш процессора Pentium. Для будущих процессоров Pentium II планируется использовать шины кэш с ECC. Процессор имеет также раздельные кэш первого уровня (16К/16К), каждая из которых вдвое больше объема кэш процессора Pentium Pro. Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU) поддерживает определенные стандартом IEEE 754 32- и 64-разрядные форматы данных, а также формат 80-bit. При работе с тактовой частотой 300 МГц блок выполняет более 300 млн инструкций с плавающей запятой в минуту (MFLOPS).