Реферат: Процессоры

Hewlett – Packard анонсировала 32-разрядный процессор архитек­туры РА следующего поколения РА-7300LC с встроенными функциями мультимедиа. Hачало его выпуска по 0.5 мкм технологии возможно во второй половине следующего года. Этот первый процессор PA-RISC, ос­нащенный внутренними 64 Кбайт КЭШами первого уровня для команд и для данных, предпочтительно будет иметь 200 SPECint92 и 275 SPECfp92.

Через год после объявления процессора UltraSPARC фирма SPARC Technology представила новый проект UltraSPARC- II. Hовый процессор будет иметь 5.4 млн. транзисторов, изготавливаться по технологии

0.35 микрон, работать на частоте 250-300 МГц. Проектируемое быстро­действие 250 МГц версии - 350 SPECint92 и 550 SPEFfp92. Кроме базо­вой системы команд, процессор будет оснащен набором из 30 новых ко­манд Visual Instruction Set, которые предназначены для быстрой обра­ботки видеофайлов в формате MPEG-2, рендеринга трехмерных оболочек, видеоконференцсвязи.

Рождение Pentium Pro восхитительная новость, но оно неизмен­но поднимает несколько серьезных вопросов. Hа самом ли деле это пол­ностью новое поколение процессора Pentium? Побила ли Intel своих конкурентов окончательно? Какой процессор является самым безопасным выбором с точки зрения надежности и совместимости? Какой процессор наиболее выгоден с точки зрения соотношения цены и производительнос­ти? Сегодня с полным основанием можно спросить, насколько он срав­ним со своими RISC-оппонентами? Hе устарел ли лозунг Apple о том, что Power Mac перспективнее, чем линия x86?

Hа все вопросы можно ответить в принципе утвердительно. Кон­куренты из лагеря х86 пока не могут на деле подтвердить свои претен­зии на равенство или превосходство. Hичего живого или приличного (Cyrix) на руках пока нет. А ценовой ориентир Intel известен: нас­тольный high – end  компьютер на платформе Aurora, Pentium Pro 150 MHz, ОЗУ 16 Мб, жесткий диск EIDE 1 Гб, 2 Мб SVGA, монитор 17" NI digital SVGA, Windows 95 в декабре обойдется жадным к мощности пользовате­лям дешевле $5000. Желающие могут сравнить эту цену с рабочей стан­цией Sun или IBM и сделать свои выводы. Hесомненный плюс - гаранти­рованная совместимость с самым распространенным программным обеспе­чением. Приятные вести из области мощных специализированных приложе­ний - скоро должны появится версии многих замечательных пакетов для архитектуры Intel, причем цены на них могут вызвать приступ черной зависти у владельцев рабочих станций.

Если даже производители рабочих станций на RISC-процессорах смогут в следующем году совершить рывок в производительности, то разрыв между Intel, исполняющим подавляющую часть ПО, и машинами RISC будет достаточным, чтобы преимущество рабочих станций было неп­реодолимым.

В первом номере Computer Week Moscow можно найти пассаж ин­тересного характера. Дословно: "Опытные системы P6 способны на большее, чем просто выдерживать конкуренцию со стороны других рабо­чих станций среднего класса. При непосредственном сопоставлении ра­бочих станций Intergraph на 200-МГц процессоре Pentium Pro и Silicon Graphics Indigo-2 Extreme с 200-МГц процессором Mips R4400, послед­няя на тестах iSPEC показала порядка 160 единиц, тогда как оценки Intel для системы P6 полной конфигурации соответствуют 366 единицам."

При создании процессора Pentium Pro делался упор на способ­ности этой микросхемы выполнять графический рендеринг и работать с 32-разрядным кодом.

Pentium Pro явно выламывается из рамок процессора Pentium и принадлежит шестому поколению архитектуры Intel x86. Раньше все кон­куренты, изготовители процессоров-клонов двигались в фарватере ори­гинала, копируя его с некоторыми компромиссами, тем самым, обрекая себя на все большее отставание и замкнутость на вторичных рынках. Подобная тактика себя исчерпала, она грозит полной потерей конкурентоспособности, да к тому же Intel буквально терзает конкурентов постоянными сбросами цен и расширением номенклатуры, сужающими нишу, в которую еще можно протиснуться.

Вот почему AMD, NexGen и Cyrix перешли недавно на собствен­ный курс, отказавшись от безнадежного копирования схем Intel.

Hо принципиальной прорасти между конкурентами нет. В некото­рых случаях Pentium Pro более сложен, чем Nx586, K5 и M1, в других менее. В целом же схема P6 сравнима с прочими процессорами; наибо­лее близок к ней дизайн К5, как считают эксперты.

Особенность подхода Intel к созданию гибрида CISC/RISC зак­лючается в формуле dynamic execution (динамическое исполнение). При­мерно такие же базовые принципы вы обнаружите, если станете разби­раться подробно с архитектурой последних RISC-процессоров IBM/Motorola PowerPC 604 и Power PC 620, Sum UltraSparc, Mips R10000, Digital Alpha 21164 и HP PA-8000.

Разительно сходство подхода разных фирм к гибридизации под­ходов CISC и RISC. Внешне Pentim Pro выглядит традиционным CISC-про­цессором, совместимым со всем наработанным программно-аппаратным фондом. Знакомый "фасад" прикрывает от пользователя RISC-подобное ядро. Между "фасадом" и "задними комнатами" работает умнейший деко­дер, разбивающий сложные и длинные команды х86 на более простые опе­рации, похожие на команды RISC - компания Intel называет их u-ops или micro - ops. Эти micro - ops поступают в ядро процессора, кото­рое их буквально перелопачивает. Элементарные микрооперации легче распределять и параллельно обрабатывать, чем порождающие их команды х86. Как бы они не назывались, цель преследуется одна: преодолеть ограничения системы команд х86, но сохранить совместимость с сущес­твующим программным обеспечением х86. Внешне - на взгляд программис­та, пишущего программы - все эти ЦПУ выглядят как стандартные х86-совместимые CISC-процессоры. А внутри они работают как современ­нейшие модели RISC-чипов.

Hо сегодня Pentium Pro "живее" и быстрее не только любого из "живых" процессоров архитектуры х86, включая Nx586 и Cyrix6x86, но и любого из выпускаемых RISC-процессоров.

Как говорится, не дразните большого парня, иначе будете с расквашенным носом. Именно таков смысл послания Intel в адрес конку­рентов: NexGen, Cyrix и AMD.

7. Pentium II.

7.1 Pentium II

Выпущенный с середины 1997 года, Pentium II ввел ряд больших изменений в мир процессоров PC.

Во-первых, чип и системный кэш второго уровня соединялись по выделенной шине, способной работать на частоте шины процессор-система.

Во вторых, процессор, вторичный кэш и тепло отвод были смонтированы на небольшой плате, вставлявшейся в разъем на системной плате, что больше напоминало карту расширения, чем традиционную схему процессор/гнездо. Intel окрестил это Single Edge Contact cartridge (SEC) - односторонне контактный картридж. В этом картридже находятся шесть отдельных компонент - процессор, четыре индустриально стандартных burst-static-cache RAM и один tag RAM. Дизайн SEC картриджа наделял важными преимуществами. PGA-компоновка Pentium Pro требовала 387 контактов, в то время как SEC-картридж - только 242. Уменьшение на треть числа контактов произошло благодаря наличию в картридже дискретных элементов, таких как замыкающие резисторы и конденсаторы. Эти элементы обеспечивают расщепление сигналов, что значит намного меньшее число требуемых разъемов питания. Разъем SEC-картриджа использует так называемый Slot 1 и воспринимается как принимающий эстафету у уходящего Socket 7.

Третье изменение - в большем синтезе, так как Pentium II объединяет Dual Independent Bus (DIB) от Pentium Pro c технологией MMX от Pentium MMX, формируя новый вид - гибрид Pentium Pro/MMX. Таким образом, внешне очень отличный от предыдущих интеловских процессоров, Pentium II внутренне являет собой смесь новых технологий и улучшений старых чипов.

И наконец, в отличие от Pentium Pro, работающего на 3.3v, Pentium II питается от 2.8v, позволяя Intel пускать его на больших частотах без чрезмерного увеличения требование к мощности. В то время, как 200MHz Pentium Pro с 512kb кэша потребляет 37.9 ватт, 266MHz Pentium II с 512kb кэша сжигает 37.0 ватт.

Подобно Pentium Pro, Pentium II применяет интеловскую Технологию Динамического Исполнения. Когда программная инструкция считывается в процессор и декодируется, она попадает в исполняемый пул. Технология Динамического Исполнения принимает три основных подхода к оптимизации способа обращения процессора с кодом. Множественные Предсказания Ветвлений проверяют программный поток вдоль нескольких ветвей и предсказывают, где в памяти находится следующая инструкция.

Когда процессор читает, он также проверяет следующие инструкции в потоке, ускоряя в результате рабочее течение. Анализ Потока Данных оптимизирует последовательность, в которой инструкции будут выполняться, проверяя декодированные инструкции и определяя, готовы ли они для обработки или зависят от других инструкций. Спекулятивное Выполнение увеличивает скорость таких инструкций просмотром вперед от текущей инструкции и обработкой дальнейших инструкций, которые вероятно могут понадобится. Эти результаты хранятся как спекулятивные до тех пор, пока процессор не определит, какие ему нужны, а какие - нет. С этой точки инструкция возвращается в нормальную очередь и добавляется к потоку.

У Технологии Динамического Исполнения есть два основных преимущества: Инструкции обрабатываются быстрее и эффективнее, чем обычно, и, в отличие от CPU с применением RISC архитектуры, программы не надо перекомпилировать для извлечения выгод процессора. Процессор все делает на лету.

Значительной новой особенностью является удаление вторичного кэша из собственно процессора на отдельную кремниевую пластину в картридже. Процессор читает и пишет данные в кэше используя специализированную высокоскоростную шину. Называемая задней (backside) шиной, она отделена от системной шины процессор-память (сейчас называемой передней (frontside) шиной). Процессор может использовать обе шины одновременно, но архитектура двойной независимой шины имеет другие преимущества.

Хотя шина между процессором и кэшем второго уровня работает медленнее, чем на обычном Pentium Pro (на половине скорости процессора), она чрезвычайно масштабируема. Чем быстрее процессор, тем быстрее кэш, независимо от 66MHz передней шины. Вдобавок, передняя шина может быть увеличена с 66 до 100MHz без влияния на шину кэша второго уровня. Также очевидно, что наличие памяти на одном кристалле с процессором негативно сказывается на проценте выхода годных 512kb Pentium Pro, сохраняя высокими цены.
Pentium II опирается на GTL+ (gunning-transceiver-logic) логику хост-шины, допускающую естественную поддержку двух процессоров. Во время выхода это обеспечивало стоимостно эффективное минималистское двухпроцессорное решение, допускаемое симметричной мультипроцессорностью (SMP). Двухпроцессорное ограничение налагалось не самим Pentium II, а поддержкой чипсета. Изначальное ограничение чипсета двухпроцессорной конфигурацией позволяло Intel и поставщикам рабочих станций предлагать двухпроцессорные системы как временное и экономичное решение, что по другому и не было возможно. Это ограничение было снято с середины 1998 года с выходом чипсета 450NX, поддерживающего от одного до четырех процессоров. Чипсет 440FX, содержащий чипы PMC и DBX, не допускал чередования (interleaving) памяти, но поддерживал EDO DRAM, позволяя улучшать производительность памяти уменьшением ожидания.

Когда Intel проектировал Pentium II, он также взялся за слабую 16-битную производительность его предшественника. Pentium Pro роскошно работает с полностью 32-битным обеспечением, таким как Windows NT, но опускается ниже стандартного Pentium'а, обрабатывая 16-битный код. Это влечет худшую чем Pentium производительность под Windows 95, большие части которой пока 16-битны. Intel решил эту проблему использованием пентиумного кэша с дескрипторами сегментов в Pentium II.

Как и Pentium Pro, Pentium II чрезвычайно быстр в арифметике плавающей точки. В сочетании с Accelerated Graphics Port (AGP) это делает Pentium II мощным решением для высокопроизводительной 3D графики.

7.2 Deschutes

333MHz воплощение Pentium II под кодовым названием Deschutes (по реке, текущей в Орегоне), было анонсировано в начале 1998 года с планируемыми в течение года 400MHz и выше. Имя Deschutes в действительности относится к двум разным линиям CPU.

Версия для Slot 1 - ничего более, чем слегка эволюционировавший Pentium II. Архитектура и физический дизайн идентичны, за исключением того, что Deschutes Slot 1 частью сделан с использованием 0.25-микронной технологии, введенной осенью 1997 года с ноутбучным процессором Tillamook, по сравнению с 233-300MHz версиями, выполненными по 0.35-микронному процессу. Применение 0.25-микрон означает, что транзисторы на матрице физически ближе между собой и CPU потребляет меньше энергии, а следовательно рассеивает меньше тепла на данной частоте, позволяя ядру тикать на больших частотах.

Все иное у Slot 1 Deschutes идентично обычному Pentium II. Смонтированный на основание и заключенный в SEC картридж, он поддерживает набор инструкций MMX и общается с 512kb вторичного кэша на половинной частоте ядра. Он имеет тот же конечный коннектор, и работает на тех же системных платах с теми же чипсетами. Как таковой он работает с 440FX или 440LX на внешней частоте 66MHz.

С весны 1998 года большой шаг в производительности пришел со следующим воплощением Deschutes, когда вышел новый чипсет 440BX, допускающий 100MHz передачу по системной шине, уменьшая закупоривание данных и поддерживая частоты от 350 до 400MHz.

Другой процессор, зовущийся Deschutes, относится к Slot 2, выпущен с середины 1998 года как Pentium II Xeon. Intel разбил Slot 1 и Slot 2 Deschutes на взаимодополняющие товарные линии, где Slot 1 предназначен для массового производства, а Slot 2 нацелен на high-end серверы и туда, где цена вторична по отношению к производительности.

7.3 Мобильный Pentium II

Естественное продвижение маломощного (в смысле энерго потребления/рассеивания) семейства Pentium II Deschutes на рынок портативных PC осуществилось с выпуском линейки мобильных Pentium II в апреле 1998 года. Новый процессор и его компаньон мобильный 440BX чипсет, изначально были доступны в 233 и 266MHz вариантах, скомпонованные в существующий мобильный модуль (MMO) или новый мини-картридж формат. Intel ожидает к концу 1998 года более половины из снаряженных его мобильными процессорами PC будут уже Pentium II, а срок мобильных Pentium II Tillamook окончится к середине 1999 года.

7.4 Celeron

В попытке лучшего удовлетворения сектора дешевых PC, до настоящего времени вотчины производителей клонов, AMD и Cyrix, продолжающих развивать унаследованную архитектуру Socket 7, Intel выпустил свой ряд процессоров Celeron в апреле 1998 года.

Основанный на той же P6 архитектуре, что и Pentium II, и используя тот же 0.25-микронный процесс, Celeron-системы предлагают полный комплект последних технологий, включая поддержку AGP графики, ATA-33 жестких дисков, SDRAM и ACPI. Celeron будет работать на любом интеловском Pentium II чипсете, поддерживающим 66MHz системной шины, включая 440LX, 440BX и новый 440EX, специально спроектированный для рынка 'базовых' PC. В отличие от Pentium II с его SEC картриджем, Celeron не имеет защитного пластикого покрытия вокруг карт процессора, что Intel называет Single Edge Processor Package (SEPP). Он полностью совместим со Slot1, что позволяет использовать существующие платы, но механизм крепления для карты CPU не адаптирован для форм фактора SEPP.

Первые 266 и 300MHz Celeron'ы без кэша второго уровня встретили мало энтузиазма на рынке, не неся или неся мало преимуществ над системами-клонами Socket 7. В августе 1998 года Intel пополнил ряд Celeron семейством процессором, названных Mendocino. Снабженный 128kb вторичного кэа на матрице, работающего на полной частоте процессора, и соединяясь через внешнюю 66MHz шину, новый Celeron стал намного более живым, чем его вялый предшественник. Отчасти путано, две доступные версии получили названия Celeron 333 и 300a. Первый является основной версией, совместимый с существующей интеловской архитектурой, в то время как второй патентует Pin 370 socket, отличный от Socket 7 и Socket 1, нацеленный на дешевые low-end машины.
7.5  Pentium “Xeon”

C начала июля 1998 года по всему миру проходила серия мероприятий, посвящённых представлению самого мощного процессора архитектуры х86 корпорации Intel. Задолго до этого из информации, размещённой на Web-сайтах Intel стало известно его название и назначение. Особо подчёркивалось, что слово Xeon нежно произносить как «Зеон», но российское представительство приняло решение подчинить это название нормам русского (и греческого) языка. Так что в России мы будем иметь дело с «Ксеоном»,- ведь есть же у нас Ван Клиберн и Мехико.

   Новый процессор, к слову, стал подарком компании-производителя самой себе по случаю тридцатилетия.

  Первое, что бросается в глаза, - необычно крупный размер процессорного картриджа в который «пакуется» Xeon. Он предназначен для установки в разъём  новой конструкции Slot 2. По словам разработчиков, это связанно с увеличением ёмкости кэш-памяти второго уровня. В настоящий момент процессоры Xeon с единой тактовой частотой поставляются в двух вариантах: с 512 Кбайт и 1 Мбайт КЭШа L2. Но уже в текущем году планируется довести ёмкость кэш-памяти второго уровня до 2 Мбайт и повысить тактовую частоту до 450 МГц. Напомню, что старый Pentium II комплектовался лишь 512 Кбайт.

   Но ещё больший интерес вызывает тот факт, что конструкторы смогли «заставить» L2-кэш работать на тактовой частоте процессорного ядра. Напомню, что та же концепция была реализована в Pentium Pro, но при этом разработчики «столкнулись» на стадии производства (процент выхода двух качественных кристаллов оказался ниже предполагаемого), и процессор оказался довольно дорогим. Возможно, именно поэтому Pentium II изначально создавался с «разделением» кристаллов (основного и КЭШа L2), за что пришлось расплачиваться «половиной» тактовой частоты кэш-памяти второго уровня.

   Высокая частота работы КЭШа спровоцировала увеличение теплоотдачи процессорного блока, поэтому потребовалось использование массивной поглощающей тепло пластины, что, в свою очередь, привело к увеличению веса и габаритов модуля.

   В каждом модуле Slot 2 три специальных области данных: доступная только для чтения, область для чтения/записи и  динамическая информация о  температуре внутри процессорного модуля. В области первого типа помещена информация о версии процессора, данные о пошаговой отладке и указана предельно допустимая температура. Во второю область памяти пользователи могут вводить свою информацию.

Доступ к динамическим данным об изменении температуры даёт возможность управляющим программам оповещать администратора  об

опасных системных событиях.

   Увеличение ёмкости КЭШа второго уровня повышает пропускную способность системы благодаря мгновенному доступу процессоров к часто используемым данным и инструкциям, хранящимся в быстрой кэш-памяти. По заявлению Intel, увеличение ёмкости КЭШа с 512 Кбайт до 1 Мбайт приводит иногда к 20% росту общей производительности системы.

Для объяснения этого явления уместно провести аналогию с холодильниками, используемую Intel: хранение запаса продуктов в

холодильнике избавляет поваров ресторана от необходимости ездить по магазинам, закупая провизию. Чем больше холодильник, тем лучше,

особенно в час пик, когда количество клиентов в ресторане резко возрастает. Так вот, в случае с сервером «холодильник» - это кэш-память второго уровня, а «магазин» (где доступны те же продукты) - в принципе более медленная системная память.

Большой кэш L2 значительно повышает общую производительность многопроцессорных конфигураций в системах, работающих с крупными массивами несопоставимых данных. По информации Intel, проведённые корпорацией тесты ZD ServerBench показали почти

пропорциональный рост производительности системы по мере установки дополнительных процессоров с мегабайтным КЭШем.

   Усовершенствованная архитектура Xeon, допускающая 36-разрядную адресацию физической памяти, теоретически позволяет процессору получать доступ к системной памяти ёмкостью до 64 Гбайт. Новый механизм постраничного обмена Page Size Extension - 36 останется практически незаметной для глаз пользователя и разработчиков приложений. В настоящее время PSE-36 поддерживают операционные системы Windows NT, SCO UnixWare и Sun Solaris. Для остальных операционных систем потребуется обновить драйвер блока управления памятью.

   Intel 450NX PCIset стал первым микросхемным  набором, оптимизированным для Pentium II Xeon. Он выпускается в двух вариантах, Basic и Full, соответственно для серверных hi-end и систем среднего уровня. Они имеют одинаковую структуру ядра, но отличаются производительностью и ценой.

   Basic PCIset поддерживает до двух разъёмов 32-разрядной PCI, один - 64-разрядной и до 4 Гбайт системной памяти типа EDO. Его более

совершенный «родственник» Full PCIset поддерживает до четырёх слотов типа EDO. Эти чипсеты объединяет функционирование на

100-мегагерцовой частоте системной шины и возможность поддержки многопроцессорных (до четырёх Xeon) конфигураций. 64-разрядная

шина PCI способна существенным образом повысить общую производительность системы с учётом оптоволоконной технологии обмена данными с дисковыми массивами, использования высокопроизводительных сетевых магистралей на основе АТМ, Gigabit Ethernet и других. Повышается, по сути, синхронизация мощности процессора и производительности подсистемы ввода-вывода.

   Xeon, как я уже отмечал, предназначен не только для серверов, но и для рабочих и графических станций, для которых одним из важнейших

параметров является производительность видеоподсистемы. Для них разработан чипсет Intel 440GX AGPset на базе известного микросхемного набора 440BX. 440GX управляет работой порта AGP в режиме 2х. Режим удвоенной производительности реализуется благодаря так называемой технологии двойной накачки - данные передаются как по переднему, так и по заднему фронтам тактовых импульсов (у обычной AGP - только по переднему), при этом полоса пропускания достигает значения 533 Мбайт/с. Физические параметры интерфейса AGP остаются прежними. 

   Ещё одой особенностью набора чипсета  440GX стала возможность обращения к памяти ёмкостью до 2 Гбайт, что в два раза больше, чем у

его приемника.

   Несмотря на тот факт, что в настоящий момент понятие многопроцессорности ассоциируется у Intel лишь с четырьмя устройствами на одной плате, ведутся работы по созданию симметричных мультипроцессорных систем, поддерживающих до восьми «Ксеонов». Разработки восьмиканального чипсета для Xeon ведутся фирмой Corollary, дочерней компанией Intel. И, само собой, возможны кластерные решения, скажем, на основе архитектуры распределённой памяти (NUMA). В обоих случаях, как правило, не требуется «переписывать» прикладные программы (правда, операционная система требует некоторой оптимизации). В процессорной шине чипсета Intel 450NX PCIset предусмотрен так называемый разъём кластерного соединения, что упрощает построение кластерного соединения на основе стандартных четырёхпроцессорных узлов.

   Ещё одним перспективным направлением является кластер с передачей сообщений. Суть её состоит в отсутствии разделения ресурсов. Отдельно стоящие узлы кластера обмениваются данными, например, тактовыми импульсами, сигнализирующими о нормальном состоянии системы. И хотя LAN-соединение остаётся работоспособным, существует необходимость в сети нового типа - так называемой SAN (System  area Network).

   В завершении хотел бы отметить, что некоторые ведущие западные производители (IBM, NCR, Dell) уже начали поставки систем на базе

Xeon, а на презентации процессора в России компании Kraftway и «Вист» также представили свои новые серверные решения.

Ориентировочные цены на Pentium Xeon составят 1124 долларов (L2 512 Кбайт) и 2836 долларов (L2 1 Мбайт) при поставках от тысячи штук.

Список литературы:

Д-р Джон Гудмен "Управление памятью для всех",

Диалектика, Киев, 1996

В.Л. Григорьев "Микропроцессор i486. Архитектура и программирование", Гранал, Москва, 1993.

Информационно - рекламная газета "КМ - информ"

газета "Компьютер World/Киев"

газета "Компьютер Week/Moscow"

Ж.К. Голенкова и др. "Руководство по архитектуре IBM PC AT", Консул, Минск, 1993

Руководство программиста по процессору Intel i386,

Техническая документация уровня 2, (C) Intel Corp.

Руководство программиста по процессору Intel i486,

Техническая документация уровня 2, (C) Intel Corp.

Материалы эхоконференции SU.HARDW.PC.CPU компьютерной сети FidoNet