Микропроцессоры Pentium MMX и Pentium II

В январе и в июне 1997 года прошли презентацию модернизированные для работы в мультимедийной технологии микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, получившие торговые марки, соответственно Pentium MMX (MMX — MultiMedia eXtention) иPentium II. МП

Pentium MMX содержит дополнительные 57 команд, ориентированных на обработку аудио- и видеоинформации, увеличенную вдвое (до 32 Кбайт) кэш-память L1, дополнительные восемь 64-битовых регистров, новый блок предсказания ветвлений, заимствованный у МП Pentium Pro и другое.

Для эффективного использования этих микропроцессоров во все старые программы (в том числе и в операционные системы Windows 95, Windows NT) необходимо было включить согласующие программные фрагменты; правда и без них МП Pentium MMX несколько производительнее просто МП Pentium. При выполнении обычных приложений Pentium MMX на 10–15% быстрее Pentium, а при работе мультимедийных приложений с использованием новых 57 команд он уже эффективнее на 30% (для сравнения: МП Pentium Pro опережает МП Pentium при выполнении обычных приложений примерно на 20%). Программы, написанные с учетом специфики Pentium MMX, не будут работать на ПК с обычным МП Pentium. Для МП Pentium MMX требуется системная плата с разъемом Socket 7, с BIOS, поддерживающим MMX, и с двумя напряжениями питания (3,5 и 2,8 В).

МП Pentium II имеет иную конструкцию, нежели все остальные МП, в частности, он выполнен в виде небольшой платы-картриджа (корпус SECC), на которой размещены сам процессор (содержащий 7,5 млн. транзисторов, против 5,5 млн. в МП Pentium Pro) и четыре микросхемы кэш-памяти 2-го уровня, общим объемом 512 Кбайт. Кэш-память 1-го уровня, находящаяся в микросхеме самого процессора, имеет емкость 32 Кбайт, против 16 Кбайт, имевшихся в МП Pentium Pro, но кэш-память 2-го уровня работает не на внутренней частоте МП, а на вдвое меньшей частоте.

Важным отличием Pentium II является архитектура двойной независимой шины (первые варианты введения такой шины были уже у МП Pentium Pro). Процессор обменивается данными с кэш-памятью L2 по специализированной высокоскоростной шине (иногда называемой backside — задней), отделенной от системной шины (frontside — передней). Системная шина работает на частоте материнской платы, и это существенно снижает эффективное быстродействие компьютера. Наличие же backside-шины ускоряет обмен с кэш-памятью.

МП Pentium II поддерживает двухпроцессорную конфигурацию ПК. В МП Pentium Pro и Pentium II появилась качественно новая технология: начали внедряться так называемые SIMD (Single Instruction Multiply Data — сравните со структурами многопроцессорных систем) инструкции, в которых одно и то же действие совершается над многими данными (эта технология получит развитие в следующих моделях МП). МП производится на основе технологии 0,35 мкм и использует напряжение питания 2,8 В. Для него, естественно, требуется иная системная плата, чем для всех других Pentium. Микропроцессоры Pentium II имеют много модификаций: Klamath, Deschutes, Katmai, Tanga и другие.

Для более дешевых компьютеров предложили облегченный вариант процессора, названный Celeron. Первые процессоры Celeron имели частоты 266 и 300 МГц. Кэш 2-го уровня исключили, что заметно отразилось на производительности ПК, и ПК на их основе оказались малоэффективными. Тогда были выпущены процессоры Celeron А (позднее букву А изъяли), которые имеют небольшой (128 Кбайт) кэш L2, установленный на плате МП и работающий уже на полной частоте МП. Эти процессоры, известные также под названием Mendocino, стали очень популярными.

Кроме особенностей вторичного кэша процессор Celeron имеет следующие отличия от Pentium II:

· разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 битов (адресуемая память — 4 Гбайт);

· несколько ослаблены процедуры контроля достоверности преобразования информации;

· Celeron предназначен только для однопроцессорных конфигураций.

Большинство МП Pentium II, в том числе и Celeron, поддерживают частоту шины системной платы 133 МГц и более (предыдущие модели — только 100 МГц).

Микропроцессоры Pentium III

Новинка 1999 года — процессоры Pentium III (Coppermine) — являются дальнейшим развитием Pentium II. Их главным отличием является основанное на новом блоке 128-разрядных регистров расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II.

Кэш 2-го уровня у МП Pentium III имеет размер 256 Кбайт, работает на полной частоте МП и обслуживается быстродействующей backside-шиной, что ускоряет как работу с кэшем, так и производительность ПК в целом. МП Pentium III предназначены для работы с материнскими платами, имеющими чипсеты (набор микросхем, связывающих процессор с остальной системой) Intel: 440BX, 440ZX, 440GX, i810, i815, i820, и более новые; поддерживают частоту шины материнской платы 100, 133, 150 МГц и выше. «Простые» Pentium III устанавливаются в Slot 1, Pentium III Xeon — в Slot 2. Процессоры Pentium III Xeon (и последующие модели Tanner, Cascades и другие) являются продолжением линии МП Pentium Pro и отличаются увеличенным кэшем 2-го уровня (512, 1024 и 2048 Кбайт), работающем на полной частоте МП.

Pentium Ш Xeon — процессоры, позиционированные для серверов. Первые двухъядерные процессоры Intel представила именно в семействе Xeon.

Микропроцессоры Pentium 4

В Pentium 4 д обавлены 144 новые потоковые инструкции, расширяющие набор SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE2. Модуль вычислений с плавающей запятой и потоковый модуль оптимизированы для работы с видео- и аудио- потоками, 3D-технологиями.

Имеется кэш 2-го уровня не менее 256 Кбайт; он работает на полной частоте МП, использует встроенную программу коррекции ошибок и обслуживается быстродействующей с разрядностью 256 битов (32 байта) шиной, работающей на частоте МП. Это для Pentium 4 с частотой 1500 МГц, например, обеспечивает скорость обмена с кэшем 48 Гбайт/с.

Есть возможность работы с системной шиной с эквивалентной частотой 400 МГц (Quard-Pumped Bus по 100 МГц), что обеспечивает скорость обмена 3,2 Гбайт/с.

Вновь улучшена система «динамического исполнения» (dynamic execution), что, в первую очередь, связано с наличием 20-ступенной (у МП Pentium III конвейер имел 10 ступеней) суперконвейерной структуры (superpipelining), лучшего предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и параллельного «по предположению» (опережающего, спекулятивного) исполнения команд по нескольким предполагаемым путям ветвления (speculative execution). Поясним это. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций. И, наконец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы ввиду выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности — то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалением тех, которые вызваны промахами в предсказании.

Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битовых конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер. Суть в том, что при длинном конвейере в задачах с частыми условными переходами его эффективность снижается. Два параллельных конвейера снижение эффективности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или нескольких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) исполняется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 тактов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выполнены за такт.

Новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine) использует два быстрых, работающих на удвоенной частоте процессора АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье медленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.). Процессор имеет площадь кристалла 217 мм², потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 мил. транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать высокоэффективную MMX-систему, но для этого необходимо наличие:

· программного обеспечения, ориентированного на использование дополнительных команд этого процессора;

· системной платы с чипсетами, поддерживающими данные микропроцессоры.

Особо следует сказать о поддерживаемой некоторыми МП Pentium 4 технологии Hyper Treading. Технология Hyper Treading (tread — тред, поток), реализует многопотоковое исполнение программ: на одном физическом процессоре можно одновременно исполнять два задания или два потока команд одной программы (операционная система «видит» два виртуальных процессора вместо одного). Иначе говоря, эта технология на базе одного МП формирует два виртуальных процессора, работающих параллельно и, в известной степени, независимо. Hyper Treading (HT) обеспечивает повышение производительности (до 30%) в многозадачных средах и при исполнении программ, которые допускают многопотоковое исполнение.

ПРИМЕЧАНИЕ

Все микропроцессоры, начиная с i386, позволяют программным путем также реализовать систему виртуальных машин, когда на одном физическом МП моделируется два виртуальных, каждый из которых может исполнять свою программу независимо и даже под управлением своей операционной системы.

Технология HT была создана фирмой Intel изначально для серверных процессоров Xeon с целью повышения производительности серверных систем: в них она дополняет традиционную многопроцессорность, обеспечивая дополнительный параллелизм в работе.

Архитектурно микропроцессоры, поддерживающие HT, имеют дополнительно группу дублирующих регистров и логические схемы, назначающие ресурсы потокам и средства APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller), организующие прерывания для обработки потоков команд разными логическими процессорами. Кроме этого для поддержки Hyper Treading необходимы материнские платы с соответствующим BIOS, и с чипсетами Intel 845 PE и GE, Intel 865, 875, 915, 925 и др., а также многозадачные операционные системы Windows XP, Linux (Windows 9x и ME не пригодны, Window 2000 может использоваться с дополнительной настройкой).

В 2000–2006 годах компания Intel представила МП 4-х видов: для портативных (Pentium M), и настольных (Pentium 4 E, Pentium D, Celeron D) компьютеров.

Pentium 4E

Семейство процессоров 7 поколения 0,09 мкм МП Pentium 4E - ядро Prescott под процессорный разъем Socket LGA775^[13]:Pentium4E2,8; 3; 3,2; 3,4, и 3,6 ГГц.Все МП имеют 1024 Кб кэш-память 2-го уровня. Две модели0,09 мкм Pentium 4EE — Extreme Edition (их также обозначают Pentium 4XE — еXtreme Edition) – 3,2 и 3,4ГГц, 2048 Кб кэш - память2 уровня. Для всех 0,09 мкм МП нужны системные чипсеты из семейств i900 или iХ. Некоторые 0,09 мкм МП поддерживают FSB до 1066 МГгц. У всех МП Pentium 4E конвейер команд расширен до 32 стадий (у остальных МП Pentium 20 стадий).

Pentium D

Двухядерный микропроцессор Pentium D, известный под кодовым именем «Smithfield», выполненный по 0,09 мкм технологии. PentiumD двухъядерный отличается от одноядерных Рentium 4E незначительно — он также использует разъем LGA 775, но для его работы необходим системный чипсет i945 или с большим номером из серий i900 или iX.

Celeron D

МП Celeron D с тактовыми частотами 2,3–3 ГГц, изготовленные по технологии 0,09 мкм и поддерживающие FSB = 533 МГц.