Лекции по дисциплине Микропроцессоры

1.                Микропроцессор Pentium (P5)

    Семейство микропроцессоров Pentium компании Intel включает в себя процессоры, работающие на тактовых частотах от 60 до 200 МГц. Процессор Pentium полностью программно совместим с предыдущими микропроцессорами Intel 80386, Intel 80486 и позволяет применять ранее разработанное программное обеспечение для персональных компьютеров.

    Первые представители семейства Pentium, работавшие на частотах 60 и 66 МГц, изготовлялись по технологии БиКМОП 0,8 мкм с напряжением 5 В  и одержали 3,1 млн. транзисторов. При производстве процессоров Pentium с частотами 90 и 100 МГц, включающих 3,3 млн. транзисторов, использовалась технология БиКМОП 0,6 мкм и напряжение питания 3,3 В. Начиная с Pentium 120 МГц, производство осуществлялось по технологии КМОП 0,35 мкм, а напряжение питания было снижено до 2,8 В.

    В отличие от предыдущих микропроцессоров с системой команд х86, процессоры семейства Pentium обладали целым рядом технических новшеств, к числу которых относятся:

¨                 близкая к суперскалярной архитектура;

¨                 раздельные типы кэш-памяти команд и данных;

¨                 предсказание переходов;

¨                 высокопроизводительные операции с плавающей точкой;

¨                 усовершенствованная 64-разрядная шина данных;

¨                 SL-технология со средствами управления энергопотреблением;

¨                 поддержка многопроцессорности;

¨                 мониторинг производительности;

¨                 поддержка различных размеров страницы памяти.

               Суперскалярная архитектура

    Суперскалярная реализация процессора Pentium – это естественное развитие предыдущих поколений Intel 80386, Intel 80486 процессоров Intel с 32-разрядной архитектурой.

    Два конвейера процессора Pentium могут выполнять две команды одновременно. Двойной конвейер процессора Pentium выполняет целочисленные команды в 5 этапов:

1.                 Предвыборка.

2.                 Декодирование 1.

3.                 Декодирование 2.

4.                 Выполнение.

5.                 Запись результата.

    При этом несколько команд могут находиться на разных этапах выполнения. Эти конвейеры не являются независимыми. При остановке одного останавливается и другой, поскольку блок арифметики с плавающей точкой использует блок арифметики с фиксированной точкой. Следовательно, эти операции не могут выполняться параллельно. Это ограничивает суперскалярность процессора.

    В процессоре Pentium многие часто используемые и простые команды, выполняемые ранее с помощью микрокода, были заменены аппаратной реализацией. Для сложных команд был усовершенствован микрокод процессора.

               Раздельные типы кэш-памяти команд и данных

    Каждая кэш-память процессора Pentium имеет размер 8 Кбайт. Типы кэш-памяти являются множественно-ассоциативными. Поиск требуемой информации выполняется в стандартных 32-байтовых строках.

    Буфер трансляции адресов (TLB) преобразует адрес ячейки внешней памяти в соответствующий адрес данных в кэш-памяти.

    Кэш-память данных процессора Pentium использует метод «обратной записи» (write-back) и протокол MESI (Midified Exclusive Shared Invalid). Метод обратной записи позволяет модифицировать данные в КЭШе без обращения к оперативной памяти. Метод обратной записи повышает производительность, уменьшая нагрузку на шину интерфейса с памятью.

    Поддержка в процессоре Pentium протокола MESI позволяет обеспечить когерентность (согласованность) данных в кэшах процессоров и в основной памяти при работе в мультипроцессорной системе.

               Предсказание переходов

    Процессор Pentium – первый х86-совместимый микропроцессор, использующий данную технологию, которая ранее применялась только в больших ЭВМ и RISC-процессорах.

    Процессор Pentium выполняет упреждающую обработку переходов, используя буфер адресов переходов BTB (Branch Target Buffer) и два буфера предварительной выборки. Один буфер применяется для предварительной выборки команды в предположении, что перехода нет, другой выполняет предвыборку инструкций в буфер, используя содержимое BTB.

               Высокопроизводительный блок операций с плавающей точкой

    Первым микропроцессором Intel, объединившем в одном кристалле средства обработки чисел в форматах с фиксированной и плавающей точкой, был процессор Intel 486 DX.

    В процессоре Pentium применяется блок вычислений с плавающей точкой, использующий сложные восьмиступенчатые конвейеры и внутренние функции. Большинство команд с плавающей точкой начинают выполняться в одном из целочисленных конвейеров, а затем передаются на конвейеры с плавающей точкой.

    В результате таких нововведений процессор Pentium (815/100) выполняет операции с плавающей точкой в 10 раз быстрее, чем процессор Intel 486 DX 33 МГц.

               Усовершенствованная 64-разрядная шина данных

    Благодаря 64-разрядной шине данных процессор Pentium может обмениваться данными с памятью со скоростью 528 Мбайт/с. Это более чем в 5 раз превышает максимальную скорость передачи в микропроцессоре Intel 486 DX 66 МГц (105 Мбайт/с). В результате общая производительность процессора Pentium (815/100) в 2,5 раза превышает производительность микропроцессора Intel 486 DX 66 МГц.

    Помимо расширения шины данных процессор Pentium реализует конвейеризацию циклов шины, что позволяет начать второй цикл еще до завершения первого. Это представляет подсистеме памяти больше времени для декодирования адреса.

    Увеличению пропускной способности и надежности системы способствует реализованная в Pentium поддержка пакетного чтения и записи, проверка четности адреса и данных.

    Для повышения скорости выполнения последовательных операций записи памяти процессор Pentium использует два буфера записи, благодаря которым процессор может выполнять следующие команды, в случае если результат одной из текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.

               Средства обеспечения целостности данных

    В процессоре Pentium предусмотрены два средства для повышения надежности системы - внутренне обнаружение ошибок и тестирование с помощью функциональной избыточности.

    Для внутреннего обнаружения ошибок используются биты четности внутренних буферов процессора. Для приложений используется средство функциональной избыточности FRC (Functional Redundancy Checking). FRC требует использования двух микропроцессоров – основного и проверяющего. В таком тандеме микропроцессоры выполняют одни и те же вычисления параллельно.

               Поддержка мультипроцессорности

    В процессор Pentium включены средства поддержки мультипроцессорной обработки, что позволяет использовать его в симметричных мультипроцессорных.

    Также процессоры  Pentium содержат два новых средства поддержки многопроцессорности: внутрикристальный контроллер многопроцессорных прерываний и двухвходовой контроллер кэш-памяти второго уровня.

               Характеристики производительности

    В табл. 2.2 и 2.3 приведены значения показателей производительности некоторых микропроцессоров Pentium в сравнении с другими микропроцессорами на тестах SPECint92 и SPECfp92 UNIX.

Тест производительности SPECint92 UNIX – это тест с интенсивным использованием процессора, позволяющий оценить его производительность с помощью репрезентативной смеси прикладных программ. Тест производительности SPECfp92 UNIX измеряет производительность процессора на операциях с плавающей точкой.

Таблица 2.2. Тест производительности SPECint92 UNIX

Таблица 2.3. Тест производительности SPECfp92 UNIX

Скачано с www.znanio.ru