Historię rozwoju mikroprocesorów rodziny INTEL�x86(88) Podaj�chy charakterystyczne tych proc

Wiadomości ogólne o procesorach.

Komputer jest zespołem układów cyfrowych tworzących system mikroprocesorowy. W jego skład wchodzą układy np. pamięci, ale także układy jakościowo nowe, takie jak mikroprocesor.
Podając określenie systemu mikroprocesorowego, stwierdzamy, że jednym z jego elementów jest uniwersalny układ przetwarzający informacje i sterujący pracą pozostałych elementów systemu, zwany procesorem, a w przypadku jego realizacji jako pojedynczego układu scalonego dużej skali integracji-mikroprocesorem. Mikroprocesor wraz z układami towarzyszącymi takimi jak zegar systemowy i sterownik magistral, tworzy centralną jednostkę przetwarzającą, czyli CPU.

Procesory rodziny INTEL 80x86.

Rodzina procesorów INTEL 80x86 obejmuje procesory INTEL 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486 oraz PentiumTM. Układy 80186 i 80188 są mikroprocesorami czyli w układzie scalonym oprócz procesora zawierają dodatkowe elementy takie jak układ wejścia/wyjścia, czy blok liczników. Układy te przeznaczone są głównie do zastosowań w układach automatyki.
Wprowadzając nowe produkty z rodziny 80x86, firma INTEL konsekwentnie stosuje zasadę kompatybilności w dół. Oznacza to stosowanie takich rozwiązań w nowszych procesorach, które pozwalają im bez przeszkód wykonywać programy napisane dla procesorów starszych. Zaletą takiej polityki jest brak konieczności wymiany całego oprogramowania przy zmianie procesora. Wadą jednakże jest wpływ architektury procesorów starszych na nowsze lub inaczej mówiąc, brak możliwości radykalnych zmian w tej architekturze. Przykładowo sposób restartu wszystkich procesorów tej rodziny jest taki sam. Każdy z procesorów z rodziny INTEL 80x86 potrafi w tak zwanym trybie rzeczywistym pracować tak jak procesor 8986/88.
Konsekwencją zachowania kompatybilności w dół jest możliwość opisania jednego, najnowszego procesora rodziny 80x86, konkretnie procesora Pentium. Wszystkie istotne cechy występujące we wcześniejszych procesorach tej rodziny mają swoje odpowiedniki w procesorze Pentium.

1.

Charakterystyka procesora PENTIUM.

Poniżej podane są własności i cechy procesora Pentium dotyczące jego podstawowej wersji pracującego z zegarem 60 lub 66 MHz.

Cechy i własności procesora Pentium:
1. 64-bitowa magistrala danych i 32-bitowa magistrala adresowa,
2. Praca w trzech trybach:
• Tryb rzeczywisty
• Chroniony tryb wirtualny,
• Tryb wirtualny 8086
3. Sprzętowe mechanizmy ułatwiające projektowanie systemów operacyjnych
wspomagające:
• Pamięć wirtualną,
• Pracę wielozadaniową,
• Ochronę zasobów.
4. Architektura superskalarna:
• Praca potokowa,
• Dwa potoki przetwarzania instrukcji stałoprzecinkowych.
5. Przewidywanie realizacji rozgałęzień programu.
6. Segmentacja i stronicowanie pamięci.
7. Wewnętrzna jednostka arytmetyki zmiennoprzecinkowej pracująca w trybie
potokowym.
8. Dwie wewnętrzne, rozdzielone pamięci podręczne (CACHE):
9. Pamięć CACHE dla danych (DATA CACHE),
10. Pamięć CACHE dla kodu programu (CODE CACHE).
11. Możliwość współpracy z pamięcią CACHE drugiego poziomu.

Procesor Pentium może pracować w jednym z trzech trybów. W trybie rzeczywistym jest w pełni zgodny ze swoimi poprzednikami. W chronionym trybie wirtualnym swoje pełne możliwości oferuje między innymi wiele mechanizmów przydatnych dla projektantów systemów operacyjnych. Tryb wirtualny 8086 umożliwia realizację programów pisanych dla trybu rzeczywistego w środowisku wielozadaniowym.
Procesor Pentium realizuje instrukcje w sposób potokowy, przy czym w określonych warunkach mogą być równolegle przetwarzane dwie instrukcje. Umożliwia to realizację średnio do dwóch instrukcji na jeden takt zegara co czyni procesor Pentium procesorem superskalarnym.
Włączenie koprocesora arytmetycznego oraz pamięci CACHE jako wewnętrznych elementów procesora zapewnia szybszy dostęp do nich, a, co za tym idzie, powoduje szybsze przetwarzanie informacji przez procesor. Zastosowanie rozdzielonych wewnętrznych pamięci CACHE, osobnej dla programu i osobnej dla danych, pozwala uniknąć wielu konfliktów przy pracy potokowej.

2.
Schemat blokowy procesora PENTIUM.

MMU DATA CACHE CODE CACHE

Stronicowanie Stronicowanie
64
DB DATA TLB CODE TLB
32 BIU
AB Układ generacji Prefetcher+ BTB
adresu
CB PotokU PotokV
PotokU PotokV
Kolejka Kolejka

ALU potokU (64B) (64B)

Rejestry Dekoder Dekoder

ALU potokV Poziom1 Poziom1

Poziom2 Poziom2
NPU

Układ sterowania

ROM
Schemat blokowy procesora Pentium.

W procesorze Pentium występują dwa bloki pamięci CACHE.
DATA CACHE- przeznaczony jest do przechowywania danych i wyników działania programu.
CODE CACHE- zawiera kody instrukcji wykonywanego programu.
Zastosowanie rozdzielonych pamięci danych i programu umożliwia jednoczesne pobieranie kodu instrukcji i zapis/odczyt danych. Zmniejsza to częstotliwość kolizji zasobów przy pracy potokowej.
Z pracą potokową związany jest blok prefetchera wraz z układem BTB. Prefetcher ma za zadanie wcześniejsze pobieranie kodów instrukcji programu i umieszczanie ich w kolejce rozkazów. Występuje z nim układ przewidywania realizacji rozgałęzień, którego częścią jest buffer rozgałęzień BTB. Pięciofazowa praca potokowa procesora Pentium jest możliwa między innymi dzięki istnieniu dwustopniowych dekoderów instrukcji.
Instrukcje mogą być przetwarzane w dwóch potokach, nazywanych U i V, dlatego też istnieją dwie 32-bitowe jednostki arytmetyczno-logiczne. Układ dekodowania instrukcji zawiera także dwa dekodery, osobny dla potoku U i osobny dla potoku V. Współpracują one z kolejkami rozkazów wypełnionymi przez układ prefetchera.

3.

Układ generacji adresu służy do generowania adresu fizycznego zarówno w trybie rzeczywistym jak i chronionym. W trybie rzeczywistym adres jest generowany identycznie jak dla procesora 8086, za pomocą takiego samego zestawu rejestrów segmentowych. W trybie chronionym układ ten współpracuje z jednostką zarządzania pamięcią MMU, generując na podstawie adresu wirtualnego fizyczny adres pamięci.
Układy stronicowania wraz z układami TLB, umożliwiają efektywną obsługę pamięci
w trybie stronicowania.
Blok wewnętrznego koprocesora arytmetycznego NPU realizuje wszelkie operacje arytmetyki zmiennoprzecinkowej. Rozkazy operacji zmiennoprzecinkowych realizowane są także potokowo, w ośmiu fazach, przy czym pierwsze pięć faz jest wspólne z instrukcjami stałoprzecinkowymi.
Pozostałe bloki to jednostka sterowania magistralami B i U zapewniająca komunikację procesora z otoczeniem, blok rejestrów współpracujących z jednostkami arytmetyczno-
-logicznymi, oraz układ sterowania, sterujący pracą wszystkich układów procesora.

PENTIUM P54C.

Następną po procesorach Pentium 60/66 wersją jest procesor 90/100 MHz, oznaczonych jako P54C. Wprowadzono w nim mechanizm wspomagający pracę dwuprocesorową. Pozwala on na bezpośrednie komunikowanie się dwóch procesorów Pentium za pomocą lokalnej magistrali co zapewnia arbitraż i utrzymanie zgodności pamięci CACHE. W przypadku systemu z dwoma procesorami Pentium jeden z nich pracuje jako procesor podstawowy (PRIMARY), a drugi jako procesor dodatkowy (SECONDARY lub DUAL). Decyduje o tym wejście sterujące CPUTYP.
Kolejną zmianą, także związaną z systemami dwuprocesorowymi jest dodanie jako jednej z części tego procesora unowocześnionego sterownika przerwań APIC. Umożliwia on prostszą obsługę przerwań w systemach dwuprocesorowych, współpracując z zewnętrznym układem APIC. Istnieje możliwość zablokowania działania układu APIC w procesorze sygnałem sterującym, co pozwala zapewnić kompatybilność w przypadku stosowania jako zewnętrznego sterownika przerwań odpowiednika układu 8259A.
Z nowych cech warto jeszcze wymienić możliwość pracy z wewnętrzną częstotliwością będącą wielokrotnością częstotliwości zegara wejściowego przy jednocześnie niższej częstotliwości taktowania magistrali. W celu poprawy własności energetycznych wprowadzono niższe wartości zasilania i poziomów logicznych (3,3 V) oraz rozszerzony zakres trybu oszczędzania energii. Procesory tej wersji mogły, w zależności od wykonania, pracować z zegarem od 75-200 MHz.

4.

PENTIUM Pro.

Pentium Pro to wersja procesora Pentium optymalizowana pod kątem obsługi oprogramowania 32-bitowego oraz pracy w systemach mikroprocesorowych-serwerach.
Jego podstawowe własności to:
• Mikroarchitektura dynamicznej realizacji instrukcji,
• Realizacja potokowa instrukcji podzielna na 12 faz,
• Zintegrowana pamięć CACHE L2 o pojemności 1 MB,
• Zintegrowany interfejs magistrali,
• Realizacja instrukcji optymalizowana dla aplikacji 32-bitowych,
• Przystosowanie do pracy wieloprocesorowej.

PENTIUM MMX.

Kolejna wersja Pentium to Pentium MMX, będąca modyfikacją Pentium „zwykłego”. Doceniając rozwój multimediów, INTEL zmodyfikował architekturę i listę rozkazów tego procesora w ten sposób aby można było skuteczniej realizować aplikację multimedialną. Ponadto zmodyfikowano architekturę tego procesora w celu osiągnięcia większej szybkości przetwarzania.
Dodatkowe cechy Pentium MMX to:
• Zestaw instrukcji MMX realizujący rozkazy typu SIMM,
• Dwie 16-kilobajtowe wewnętrzne pamięci CACHE,
• Ulepszony układ przewidywania rozgałęzień,
• Udoskonalona praca potokowa,
• Praca potokowa w trybie MMX,
• Możliwość wykonywania do dwóch instrukcji na takt.
Należy podkreślić, że Pentium MMX wymaga dwóch napięć zasilających, osobnego dla rdzenia procesora i osobnego dla jego układu wejścia/wyjścia. Wprowadzenia dla tych napięć zostały odpowiednio pogrupowane w celu ułatwienia ewentualnego unowocześnienia dla tych procesorów.
W Pentium MMX dodano do listy rozkazów grupę rozkazów ułatwiającą obsługę urządzeń multimedialnych. Przy obsłudze tych urządzeń stwierdzono, że znaczna część realizacji programów multimedialnych polega na powtarzaniu tych samych prostych operacji na dużej ilości krótkich danych. Dokonano więc następujących zmian:
MM7 do długości 64-bitów; umożliwia to÷-Dodano 8 rejestrów MM0 wykonywanie operacji na większych porcjach informacji; adresy tych rejestrów pokrywają się z adresami rejestrów koprocesora arytmetycznego, dlatego przed ich użyciem dla rozkazów MMX wymagane jest ich zapamiętanie. -Wprowadzono nowe typy danych, tak zwane dane spakowane; pozwalają one traktować zawartość 64-bitowych rejestrów jako spakowane bajty.
-Wprowadzono rozkazy wykonujące równolegle tą samą operację na danych spakowanych; są to operacje typu SIMD. 5.

-Wprowadzono tak zwaną arytmetykę nasycenia; w przypadku pakowania danych lub wykonywania działań na danych spakowanych może nastąpić przekroczenie zakresu, którego nie możemy zasygnalizować; przyjęto, że wówczas wynik ma maksymalną lub minimalną dla danego typu danych wartość.
-Wprowadzono operację łączącą dwa działania, mnożenie i dodawanie; ułatwia to realizację operacji na wektorach i macierzach.
Uwzględniając warianty poszczególnych operacji, mamy do dyspozycji 57nowych instrukcji, pozwalających znacznie szybciej realizować wiele operacji multimedialnych.

PENTIUM II.

Pentium II łączy w sobie rozwiązania zastosowane w Pentium Pro z technologią MMX. Poprawiono w nim też obsługę aplikacji 16-bitowych, która była słabą stroną Pentium Pro. Niektóre z rozwiązań idą w kierunku obniżenia kosztów produkcji procesora, powodując jednak zmniejszenie jego osiągów. Ponieważ jednym z problemów przy produkcji Pentium Pro była zintegrowana pamięć CACHE drugiego poziomu, w Pentium II zastosowano rozwiązanie kompromisowe. Rdzeń procesora wraz z układami wejścia/wyjścia stanowią osobne struktury umieszczone na wspólnej płytce drukowej. Płytka ta zapewnia też kontakt
z płytą główną w postaci listwy na granicy płytki, oznaczonej SEC. Płytka z procesorem montowana jest na płycie głównej w złączu krawędziowym oznaczonym przez Intel jako SLOT 1. Jądro procesora komunikuje się z pamięcią CACHE L2 za pośrednictwem specjalnej magistrali, pozwalając odciążyć główną magistralę procesora. Architektura taka nosi nazwę
DUAL INDEPENDENT BUS.
Podstawowe własności procesora Pentium II można podsumować w następujących punktach:
• Mikroarchitektura dynamicznej realizacji instrukcji,
• Dwie rozdzielone magistrale, osobno dla pamięci CACHE L2 i osobno magistrala zewnętrzna,
• Technologia MMX,
• Udoskonalony system zarządzania poborem mocy,
• 32 KB wewnętrznej pamięci CACHE,
• Zintegrowana 512-kilobajtowa pamięć CACHE L2,
• Możliwość pracy w systemach dwuprocesorowych.

6.

PENTIUM III.

Jednym z nowszych opracowań Intela jest procesor Pentium III. Zasadnicza architektura tego procesora jest 32-bitowa, jednakże wprowadzono w nim wiele istotnych zmian, głównie z myślą o grafice trójwymiarowej i multimediach. Rozszerzono zestaw rozkazów technologii MMX. Usunięto też istotną wadę technologii MMX, a dotyczącą nowych rejestrów wprowadzonych dla tej technologii. W Pentium II pokrywały się one z rejestrami koprocesora natomiast w Pentium III są niezależnymi rejestrami.
Kolejną istotną zmianą jest rozszerzenie rozkazów typu SIMD na rozkazy zmiennoprzecinkowe. Zestaw nowych rozkazów w Pentium III oznaczany jest często jako SSE. Ponadto dla instrukcji zmiennoprzecinkowych wprowadzono osiem nowych 128-bitowych rejestrów. Podsumowując, w Pentium III mamy 50 nowych instrukcji zmiennoprzecinkowych SIMD i 12 nowych instrukcji MMX.
W procesorze Pentium III usprawniono też współpracę procesora z pamięciami. Wprowadzono między innymi 8 nowych instrukcji buforowania danych, które mogą być wykorzystywane przy realizacji kompresji wideo, oraz obsłudze grafiki 3D. Nowe rozkazy w połączeniu ze wzrostem wydajności obliczeniowej umożliwiają między innymi programową realizację kompresji MPEG-2 pełnoekranowego obrazu w czasie rzeczywistym.
Kolejną, bardzo konkretną, ale też kontrowersyjną zmianą jest wprowadzenie numeru pozwalającego programowo zidentyfikować konkretny egzemplarz procesora.
Podobnie jak Pentium II, Pentium III instalowany jest w gnieździe SLOT 1.

PENTIUM IV.

Pentium IV to najnowszy produkt firmy Intel, wyróżniający się przede wszystkim architekturą wewnętrzną. Uwagę zwraca największa spośród produkowanych procesorów częstotliwość pracy układu - 1,5 lub 1,4 GHz. Oprócz jądra procesora w strukturze półprzewodnikowej znajduje się pamięć CACHE L2 o pojemności 256 KB, która pracuje z pełną szybkością układu. W nowej jednostce centralnej usprawniono przede wszystkim przetwarzanie potokowe - długość kolejki zwiększono do 20 instrukcji. Dodatkowo za tłumaczenie kodu x86 na mikrooperacje odpowiada wyspecjalizowany wydzielony dekoder. Wydłużenie kolejek potoków wiąże się z niebezpieczeństwem utraty wydajności w wyniku nietrafnego przewidywania wyników instrukcji warunkowych. Aby temu zapobiec, poprawiono również algorytm prognozowania skoków. W procesorze tym zrezygnowano ze stosowanego dotychczas modelu pamięci CACHE L1. Nowa jednostka centralna wyposażona jest w mechanizm mający poprawić wydajność układu - 8-kilobajtowy bufor śledzenia wykonywania instrukcji, magazynujący zamiast kodu x86 zdekodowane instrukcje w postaci mikrooperacji. Takie rozwiązanie eliminuje czas potrzebny na ponowne odszyfrowanie rozkazów w przypadku powrotu do jednego z nich. Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) procesora Pentium IV pracuje z dwukrotnie większą częstotliwością niż reszta układu.

7.
Wspomniany mechanizm nazwano Rapid Execution Engine. Dzięki niemu możliwe stało się ukończenie operacji na danych stałoprzecinkowych w połowie cyklu zegarowego. Takie "przyspieszenie" ma szczególne znaczenie w zastosowaniach multimedialnych, co znajduje swoje odzwierciedlenie w wynikach testów. Biorąc pod uwagę kategorię obraz/gry/dźwięk, nowe dziecko Intela wyprzedziło wszystkich. Niestety, poza optymalizacją mikrokodu niewiele zmieniono w jednostce zmiennoprzecinkowej. Procesor nadal dysponuje dwoma modułami przeznaczonymi do obliczeń na liczbach zmiennopozycyjnych.. Elementem wyróżniającym się w architekturze Pentium IV jest 64-bitowa, 400-megahercowa magistrala systemowa o przepustowości 3.2 GB/s. Wartość ta jest ponad trzykrotnie większa niż w przypadku układów Pentium III. W Pentium IV usprawniono również działanie mechanizmów SIMD. Znany z procesora Pentium III i zestaw instrukcji SSE poszerzono o 144 nowe rozkazy (SSE2), umożliwiające operacje na 128-bitowych liczbach zmiennoprzecinkowych o pojedynczej i podwójnej precyzji oraz 128-bitowych operacjach stałopozycyjnych. Ciekawostką jest, że kupując Pentium IV, użytkownik staje się jednocześnie właścicielem dwóch 64-megabajtowych modułów pamięci typu RDRAM. Niestety, ma to niekorzystny wpływ na cenę, która nie odzwierciedla wydajności procesora.

Intel CELERON.

Procesor Intel Celeron przez kilka miesięcy był jedynym dostępnym produktem, przeznaczonym na rynek tańszych komputerów. Konstrukcja pierwszych Celeronów prawie w ogóle nie różniła się od architektury Pentium II. Ze względu na przyjętą strategię rynkową procesory te były taktowane magistralą 66 MHz i zupełnie pozbawione pamięci drugiego poziomu oraz możliwości pracy w systemach wieloprocesorowych. Jak się okazało, brak CACHE'U L2 był przyczyną niższej wydajności jednostki centralnej. W obliczu rosnącej konkurencji ze strony AMD producent bardzo szybko przygotował kolejną wersję Celerona, którą wyposażono w 128 KB pamięci podręcznej L2, zintegrowanej z jądrem procesora. Taki zabieg pozwolił znacznie przyspieszyć wymianę danych między samym układem a pamięcią L2, która pracowała z pełną częstotliwością taktowania rdzenia. Dzięki temu wydajność procesora znacznie wzrosła. Mimo czterokrotnie mniejszej pamięci L2 i współpracy z magistralą 66 MHz Celeron niemal dorównywał wydajnością znacznie droższemu Pentium II. Poza tym w sprzedaży pojawiły się płyty główne umożliwiające korzystanie z Celeronów w konfiguracjach dwuprocesorowych. Pod koniec maja 2000r. Intel wprowadził do sprzedaży kolejną wersję układów z tej serii zwanych powszechnie Celeronami II. Od swoich poprzedników różnią się one przede wszystkim architekturą oraz zastosowaną szerokością ścieżek. O ile poprzednie modele produkowane były w technologii 0,25, o tyle nowe wytwarzane są z szerokością 0,18 mikrometra. Nowe procesory są bardzo podobne do Pentium III. Wyposażono je między innymi w mechanizmy obsługujące instrukcje SSE, co korzystnie wpłynęło na wydajność układów w porównaniu z poprzednimi wersjami Celeronów. Według producenta praca nowych układów w systemach wieloprocesorowych nadal nie jest możliwa. Nie zmieniła się natomiast wielkość pamięci podręcznej L2 - nadal wynosi ona 128 KB. Wcześniejsze modele Celeronów można było kupić w jednym z dwóch typów obudów - SEPP przeznaczone do złącza Slot 1 oraz PPGA montowane w złączu Socket 370. Wraz ze zmianą technologii wytwarzania jednostek centralnych producent zmienił również typ obudowy na FC-PGA w przypadku tak zwanych Celeronów II.
8.
Wbrew oczekiwaniom Intel aż do modelu taktowanego z zegarem 766 MHz nie zmienił częstotliwości FSB. Dopiero w najnowszym układzie - Celeron 800 MHz zastosowano 100-megahercową magistralę. Dzięki temu możliwe stało się nawiązanie bezpośredniej rywalizacji z układami AMD Duron. Jak się jednak okazało, w wielu testach Celeron 800 osiągnął słabsze wyniki od konkurenta z AMD. Poza tym opłacalność zakupu produktu Intela jest dość wątpliwa. Duron 800 jest niemalże dwukrotnie tańszy od Celerona i cechuje się większą wydajnością.