Глава 6. Микропроцессоры Intel от 80186 до Pentium 4

Микропроцессор i80186

Микропроцессоры Intel 80186/80188 являются усовершенствованными версиями предшествующих микропроцессоров Intel 8086/8088. Микропроцессоры 80186/80188 и 80286 не представляют собой нового поколения архитектуры, они являются процессорами с 16-разрядной внутренней архитектурой и совместимы с микропроцессорами 8086/8088 снизу вверх.

Микропроцессор i80286

Микропроцессор i80286, хотя во многом повторяет i8086/88, позволяет адресовать уже 16 Мбайт памяти вместо 1 Мбайт. В систему команд включен ряд инструкций для управления дополнительным объемом памяти (15 Мбайт). Увеличена до 8 МГц тактовая частота, в результате чего некоторые инструкции теперь выполняются не более чем за 250 нс. Внесены изменения в алгоритм выполнения инструкций, что позволило уменьшить время их выполнения, в большинстве случаев, в 8 раз.

Микропроцессор i80386

С появлением новых приложений продолжали возрастать требования к скорости вычислений, разрядности данных и объему оперативной памяти. В 1986 г. фирма Intel выпустила 32-разрядный микропроцессор i80386, весьма существенно отличающийся от своих 16-разрядных предшественников. Этот процессор был первым из удачно разработанных микропроцессоров фирмы Intel с 32-разрядной шиной адреса и данных. При 32-разрядной шине адреса открывается доступ к 4 Гбайт оперативной памяти. В памяти такого объема можно разместить около миллиона страниц текста в коде ASCII. Среди модификаций микропроцессора i80386 можно отметить i80386SX, с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса, что позволяло адресовать 16 Мбайт памяти, а также i80386SL/80386SLC, с 16-разрядной шиной данных и адресным пространством 32 Мбайт, доступным посредством 25-разрядной шины адреса. В процессоре i80386SLC также имелась внутренняя кэш-память, что позволяло обрабатывать данные с более высокой скоростью. В 1995 г. фирма Intel выпустила микропроцессор i80386EX, с 16-разрядной шиной данных, 26-разрядной шиной адреса памяти и 24-разрядной шиной адреса портов ввода-вывода. Этот процессор получил название встроенного персонального компьютера (embedded PC), поскольку в его микросхему были включены необходимые компоненты IBM PC/AT (например, контроллер регенерации динамической памяти).

Для процессора i80386 характерны не только более высокая скорость и разрядность. Управление памятью в i80386 реализовано на аппаратном уровне, а не на программном, как в предшествующих микропроцессорах, что значительно ускоряет работу с памятью и сокращает необходимый для этого код.

По системе команд микропроцессор i80386 совместим снизу вверх с i8088/86/286. Введены дополнительные инструкции для работы с 32-разрядными регистрами и для управления памятью. Инструкции для управления памятью, включенные в систему команд i80286, совместимы и с i80386.

Микропроцессор i80486

В 1989г. фирма Intel выпустила микропроцессор i80486, объединивший в одной микросхеме процессор i80386, арифметический сопроцессор i80387 и внутреннюю кэш-память размером 8 Кбайт. В структуру центрального процессора (Central Processor Unit — CPU) были внесены изменения, позволяющие выполнять около половины инструкций не за два такта, а за один. В результате при тактовой частоте 50 МГц время выполнения таких инструкций составляло 25 нc. По сравнению с i80386 производительность i80486, работающего на той же тактовой частоте, выше на 50%. В дальнейшем был выпущен вариант микропроцессора i80486 с удвоенной тактовой частотой — i80486DX2. В нем базовая тактовая частота (33 МГц) использовалась при доступе к оперативной памяти, а на удвоенной частоте (66 МГц) выполнялись внутренние инструкции. В микропроцессоре i80486DX4 частота была утроена: базовая частота для доступа к памяти по-прежнему составляла 33 МГц, а выполнение инструкции шло на частоте 100 МГц. Также, в i80486DX4 был удвоен объем кэш-памяти — размер ее достиг 16 Кбайт

Фирмой Intel были выпущены и другие разновидности i80486, известные под названием Overdrive-процессоров. Процессор Overdrive — это i80486DX с удвоенной тактовой частотой, предназначенный для замены i80486SX или варианта i80486DX, работающего на частоте материнской платы. Например, при замене i80486SX, работающего на тактовой частоте 25 МГц, на Overdrive-процессор, частота шины данных остается прежней, но внутренние инструкции выполняются на частоте 50 МГц.

Микропроцессор Pentium

Микропроцессор Pentium, выпущенный в 1993г., продолжил линию процессоров i80386/80486. (Названия Р5 и 80586, первоначально присвоенные этому микропроцессору, не были приняты официально ввиду сложностей патентования.) Первоначальные реализации процессора Pentium работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц, с производительностью 100 млн оп./сек. Имелись также модификации, работающие на полуторной (100 МГц, 150 млн оп./сек) и на удвоенной частоте (120 и 133 МГц). Самый быстрый вариант Pentium, выпущенный фирмой Intel, работал на частоте 233 МГц. Общий объем кэш-памятив Pentium составлял 16 Кбайт, в отличие от базовых версий процессора i80486, причем кэш данных (8 Кбайт) был выполнен отдельно от кэша инструкций (8 Кбайт), т.е. была использована гарвардская архитектура. Адресное пространство в Pentium составляет 4 Гбайт. Частота шины данных по сравнению с i80486 возросла вдвое (60/66 МГц вместо 33 МГц), а ее разрядность увеличена до 64 бит. Увеличение разрядности шины данных дает значительное преимущество при работе с действительными числами удвоенной точности, что требуется, например, в приложениях, использующих векторную графику. Позднее система команд Pentium была расширена группой инструкций ММХ (MultiMedia eXtention), ориентированных на мультимедийные приложения; правда, вопреки ожиданиям, ММХ - команды не получили широкого практического распространения.

Затем появился вариант Pentium Overdrive (P24T), имеющий целью модернизацию старых систем на базе микропроцессора i80486. Overdrive-процессор с частотой 63 МГц позволял заменить i80486DX2, работающий на частоте 50 МГц, а Overdrive с частотой 83 МГц позволял заменить i80486DX2 в системе, работающей на частоте 66 МГц. Последний вариант по скорости занимал промежуточное положение между обычными процессорами Pentium, работающими на частотах 66 и 75 МГц.

Наиболее существенная особенность Pentium — это наличие сдвоенного ядра процессора19, способного одновременно выполнять пару взаимно-независимых инструкций. В результате, на Pentium возможно выполнение двух инструкций всего за один такт. Процессоры, в которых используется принцип одновременной работы нескольких операционных блоков, называются суперскалярными. Еще одно нововведение, также способствующее повышению производительности процессора Pentium при отработке циклов, — блок предсказания переходов. Кроме того, в Pentium имеется встроенный сопроцессор, который работает в пять раз быстрее аналогичного сопроцессора, входящего в микропроцессор i80486.

Pentium Pro

Микропроцессор Pentium Pro (первоначальное название — Р6) был выпущен фирмой Intel в конце 1995 г. Он содержит ядро, состоящее из трех конвейеров, и арифметический сопроцессор. Первые экземпляры Pentium Pro работали на частоте 150 и 166 МГц. В дополнение к кэш-памяти первого уровня (L1) объемом 16 Кбайт (8 Кбайт кэш данных и 8 Кбайт кэш команд) в Pentium Pro введен кэш второго уровня (L2) объемом 256 Кбайт. Поскольку процессор имеет три конвейера, возможно выполнение до трех команд за один такт, причем, в отличие от Pentium, одновременное выполнение возможно даже при конфликтующих сочетаниях инструкций. Обработка 32-разрядных данных в Pentium Pro оптимизирована, поскольку этот процессор предназначался для построения серверов. Адресное пространство увеличено до 64 Гбайт; разрядность шины адреса составляет 36 бит.

Pentium II и Pentium Xeon

Микропроцессор Pentium II, выпущенный в 1997г., стал новым шагом для процессоров фирмы Intel с точки зрения конструкции. Процессор выполнен не в виде интегральной микросхемы, а в виде компактной печатной платы, на которой дополнительно установлена кэш-память второго уровня (L2). В Pentium кэш L2 работал на частоте системной шины — 60/66 МГц. В Pentium II кэш L2 (объемом 512 Кбайт) и процессор объединены в модуле Pentium II. Кэш L2 в этой системе функционирует на частоте 133 МГц. Процессор в составе модуля Pentium II — это по сути Pentium Pro (с поддержкой ММХ), но без встроенной кэш-памяти второго уровня.

Pentium II, при внутренней тактовой частоте 266/333 МГц, выполнял доступ к памяти на частоте всего 66 МГц. В 1998 г. тактовая частота шины данных была увеличена до 100 МГц; это значение использовалось в Pentium II 350/400/450, что потребовало уменьшения времени цикла обращения к динамической памяти с 10 до 8 нс.

В середине 1998 г. корпорация Intel объявила о выпуске новой версии Pentium II — Pentium Xeon. Новый процессор был специально разработан для серверов и сильно нагруженных рабочих станций. Процессор Xeon, по сравнению с Pentium II, обладает большим объемом кэш-памяти: L1 — 32 Кбайт, L2 — 512 Кбайт, или 1 Мбайт, или даже 2 Мбайт. Выпуск Pentium II Xeon в дополнение к Pentium II означал изменение в стратегии корпорации Intel: выполнять каждый новый процессор в двух версиях — профессиональной и бытовой.

Pentium III

Несмотря на то, что в процессоре Pentium III применено более быстродействующее ядро, это по-прежнему все тот же процессор Р6 (Pentium Pro). Конструктивные версии Pentium III — в корпусе SECC2 (Single Edge Contact Cartridge), устанавливаемый в Slot 1, и в корпусе PPGA (Plastic Pin Grid Array), под названием flip-chip PGA, устанавливаемый в Socket 370. В обоих вариантах тактовая частота достигает 1 ГГц. Кэш-память в первом варианте составляет 512 Кбайт, а во втором — 256 Кбайт. Вместе с тем, в первом варианте кэш работает на половинной частоте, так что указанные варианты Pentium III различаются по скорости незначительно. Частота системной шины в обоих вариантах составляет 100 МГц (Intel Celeron использует частоту 66 МГц). В остальных магистралях, предназначенных для соединения с контроллерами, такими как контроллер PCI, контроллер памяти или контроллер AGP, применяется тактовая частота 100 или 133 МГц.

Pentium 4

Последняя разработка фирмы Intel, микропроцессор Pentium 4, появился в конце 2000г. В нем сохранена прежняя архитектура Р6. Выигрыш достигнут за счет увеличения тактовой частоты до 1, 3/1, 4/1, 5 ГГц, что стало возможным благодаря прогрессу технологии микросхем. Чипсет, который обеспечивает работу Pentium 4, использует технологию памяти RAMBUS взамен прежней технологии SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory). При этом размер кэш-памяти первого уровня сокращен до 8 Кбайт. Как выяснилось, 8 Кбайт было вполне достаточно для первой модели Pentium 4. Кэш L2 остался прежним, как в Pentium III — 256 Кбайт.

Переход в Pentium 4 к " медной" технологии позволил существенно повысить тактовую частоту шин. (Медь является лучшим проводником, но технология ее применения в микропроцессорах была освоена не так давно.) В результате тактовая частота системной шины уже в первых версиях Pentium 4 достигла и превысила 400 МГц.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒