Нешвеев В. В. — Вычислительные системы, сети и

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. План 1. Основные технические характеристики и классификация микропроцессоров 1. 1. Дополнительные устройства на кристалле МП 1. 2. Режимы работы машины 1. 3. Быстродействие МП 2. Структура микропроцессора 2. 1. Устройство управлении 2. 2. Арифметико-логическое устройство 2. 3. Микропроцессорная память 2. 4. Интерфейсная часть микропроцессора 3. Типы микропроцессоров 3. 1. Процессоры-клоны 3. 2. Семейство МП x 88/x 86 3. 3. Микропроцессоры с умножением частоты 3. 4. Сопроцессоры 4. Устаревшие микропроцессоры 4. 1. Pentium 4. 2. Pentium Pro 4. 3. Pentium MMX 4. 4. Семейство процессоров Pentium II 4. 5. Celeron 4. 6. Pentium II Xeon 5. Современные микропроцессоры 5. 1. Процессор Intel® Pentium® III 5. 2. Основные характеристики 5. 3. Процессор Intel® Pentium® III Xeon™ 5. 4. Процессор Intel® Pentium® 4 5. 5. Двухъядерные процессоры Intel 1

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Центральный процессор в общем случае содержит в себе • арифметико-логическое устройство; • центральное устройство управления; • шины данных и шины адресов; • регистры; • счетчики команд; • математический сопроцессор чисел с плавающей точкой. Микропроцессором называют полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется центральный процессор ЭВМ, т. е. совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления 2

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 1. 1. Дополнительные устройства на кристалле МП На кристалле МП могут быть размещены дополнительные устройства, в том числе: 1) система управления шиной; 2) кэш-память; 3) средства поддержки виртуальной памяти; 4) средства защиты памяти. 1. 2. Режимы работы машины В настоящее время МП поддерживают широкий спектр режимов работы, среди которых: 1) однопрограммный режим; 2) многопрограммный режим; 3) система виртуальных машин. 1. 3. Быстродействие МП Иногда быстродействие процессоров оценивают как число выполняемых инструкций в секунду (Million Instruction Per Second, MIPS). С 1992 года для оценки производительности процессоров стали применять интегральные тесты, разработанные некоммерческой ассоциацией SPEC — SPEC 92, а затем SPEC 95 состоит из двух наборов тестов: CINT 95 — для измерения производительности при выполнении целочисленных операций и CFP 95 — для измерения производительности при выполнении операций с плавающей точкой. 3

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 2. 1. Устройство управления Рис. 1. Укрупненная функциональная схема устройства управления 4

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 2. 2. Арифметико-логическое устройство Рис. 2. Функциональная схема АЛУ 5

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 3. Типы микропроцессоров Ограничим наше рассмотрение 32 -разрядными МП с CISC-архитектурой, так как именно они используются в качестве основных МП ПЭВМ, а точнее IBM cсовместимых компьютеров. 3. 1. Процессоры-клоны Ряд крупнейших фирм — производителей электронных компонентов выпускает микропроцессоры, которые программно и аппаратно совместимы с продукцией Intel. Такие микропроцессоры обычно называют клонами. Производством клонов процессоров фирмы Intel в различное время занимались компании AMD, Chips&Technologies, Cyrix (ныне подразделение National Semiconductor), IBM, IDT, IIT, Nex. Gen, SGS Thomson, Texas Instruments, ULSI, UMC, а также отечественная радиоэлектронная промышленность. 3. 2. Семейство МП x 88/x 86 Микропроцессоры семейства х88/x 86 отличаются друг от друга внутренней архитектурой, тактовой частотой, разрядностью шин адреса и данных, но совместимы программно. Микропроцессор i 8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981 году фирма IBM выбрала его для своего первого персонального компьютера. Этот чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Первоначально микропроцессор i 8088 работал с частотой 4, 77 МГц и имел быстродействие около 0, 33 млн. инструкций в секунду (Million Instruction Per Second, MIPS), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 Мгц). 6

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 3. 3. Микропроцессоры с умножением частоты В 1992 году фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486, названных i 80486 DX 2(SX 2). Скорость работы их внутренних блоков была в 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50/66 МГц и эффективной по стоимости 25/33 МГц системной платы. Начиная с этого микропроцессора практически во всех новых разработках фирмы использовалось умножение частоты. 3. 4. Сопроцессоры Исходно математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от 486 DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора. 7

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 4. Устаревшие микропроцессоры 4. 1. Pentium В 1993 году фирма Intel объявила о начале промышленных поставок процессора Pentium с тактовой частотой 66 и 60 МГц. Системы, построенные на базе Pentium, полностью совместимы с персональными компьютерами, использующими микропроцессоры i 8088, i 80286, i 80386, i 80486 (см. Семейство МП х88/х86). Новая микросхема содержала около 3, 1 млн. транзисторов и имела 32 -разрядную адресную и 64 разрядную внешнюю шину данных. Pentium с тактовой частотой 66 МГц имеет производительность около 112 MIPS. Результаты теста SPEC для процессора Pentium с тактовой частотой 200 МГц составляют 5, 47 для SPECint 95 и 3, 68 для SPECfp 95. В конце 1997 года был прекращен выпуск процессоров и этой серии, а фирма Intel полностью перешла на производство микропроцессора нового поколения Pentium Pro 4. 2. Pentium Pro В 1995 году фирма Intel объявила о начале коммерческих поставок микропроцессора нового поколения Pentium Pro. В его основе лежит комбинация технологий: многократное предсказание ветвлений, анализ потоков данных и эмуляция выполнения инструкций. Глубина конвейера составляет 14 ступеней (против 5 у Pentium). В Pentium Pro впервые реализована архитектура DIB (Dual Independent Bus) — двойная независимая шина. В Pentium Pro впервые введена 128 -pазpядная внешняя шина данных. Pentium Pro поддерживает 2 -х и 4 -процессорные конфигурации, а также позволяет строить системы с числом процессоров более 4 с применением технологий 8 кластеризации.

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 4. 3. Pentium MMX В начале 1997 года корпорация Intel представила процессор Pentium с технологией MMX — микропроцессор, в котором существенно расширена системы команд процессора за счет включения 57 новых инструкций, разработанных для более эффективной работы с мультимедиа-данными. Новые инструкции ориентируются на параллельное исполнение повторяющихся последовательностей команд целочисленной арифметики, часто встречающихся при работе мультимедиа-приложений. В основе MMX лежит применяемый в процессорах цифровой обработки сигналов принцип SIMD (Single Instruction — Multiple Data, т. е. один поток команд — множество потоков данных), который состоит в применении одной инструкции для массива однородных данных. Использование MMX-инструкций ускоряет работу программ обработки изображений, видео или звука на 50 -400%. Процессор Pentium с технологией MMX содержит 4, 5 млн. транзисторов и, помимо инструкций MMX, имеет несколько архитектурных улучшений Результаты теста SPEC для процессора Pentium MMX с тактовой частотой 200 МГц составляют 6, 41 для SPECint 95 и 4, 66 для SPECfp 95. Процессоры Pentium MMX выпускались с внутренним умножением частоты в 2, 2, 5, 3, 3, 5, и 4 раза. 9

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 4. 4. Семейство процессоров Pentium II Процессор Pentium II создан в мае 1997 года на базе Pentium Pro и, помимо поддержки ММХ и измененной конструкции кэш-памяти второго уровня, имеет следующие отличия. Во-первых, объем кэш-памяти первого уровня увеличен до 32 Кбайт (16+16). Во-вторых, использован новый тип конструктива — картридж SECC (Single Edge Contact Cartridge). В-третьих, 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня выполнены на отдельных серийных микросхемах BSRAM и смонтированы вместе с процессором на небольшой печатной плате. Результаты теста SPEC для 233 МГц Pentium II составляют 9, 49 для SPECint 95 и 6, 43 для SPECfp 95. Дальнейшее развитие Pentium II привело к появлению семейств процессоров Celeron и Pentium II Xeon. 4. 5. Celeron Выпущенный в марте 1998 года корпорацией Intel процессор Celeron, предназначенный для ПК начального уровня (Basic PC). Celeron представляет собой Pentium II второго поколения, лишенный кэш-памяти второго уровня. Процессор Celeron выпускался с тактовыми частотами 266, 300, 333, 366 и 400 МГц и предназначен для работы с 66 МГц системной шиной. 10

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 4. 5. Pentium II Xeon ( «зион» , «ксеон» ) был анонсирован компанией Intel в апреле 1998 года. Фактически Xeon представляет собой реализацию на основе более новых технологии идей, лежащих в основе архитектуры Pentium Pro. В Xeon процессорное ядро и кэш-память второго уровня вновь работают на частоте процессора. Кроме того, адресное пространство вновь составляет 64 Гбайт (как у Pentium Pro), допускаются 4 -процессорные конфигурации Процессор предназначен для работы со 100 МГц системной шиной. 5. Современные микропроцессоры 5. 1. Процессор Intel® Pentium® III - с тактовыми частотами от 450 МГц - унаследовал лучшие качества процессоров микроархитектуры P 6: динамическое исполнение команд, системную шину с множественными транзакциями и технологию Intel MMX™ для обработки данных мультимедиа 11

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Основные характеристики -Процессоры с тактовыми частотами 600 B и 533 B MГц выпускаются с системной шиной, работающей с частотой 133 MГц. Буква 'B' обозначает поддержку 133 -МГц системной шины. -Процессоры с тактовыми частотами 600, 550, 500 и 450 MГц поддерживают системную шину с частотой 100 MГц. -При изготовлении используется 0. 25 -микронный технологический процесс, позволяющий повысить тактовую частоту ядра и уменьшить потребляемую мощность. - Включает новые SIMD-инструкции - 70 новых команд, улучшающих работу с приложениями трехмерной графики, потокового аудио, видео и распознавания речи. - Также включает технологию Intel MMX. -Архитектура Двойной независимой шины (DIB) увеличивает пропускную способность и производительность по сравнению с процессорами с единственной шиной данных. -Содержит функцию серийного номера процессора для расширения степени управляемости ПК. -Неблокируемая кэш-память первого уровня емкостью 32 Kб (16 Кб/16 Кб) и унифицированная неблокируемая кэш-память второго уровня емкостью 512 Кб обеспечивают ускоренный доступ к часто используемым данным. -Поддерживает кэширование памяти с объемом адресного пространства 4 Гб. -Позволяет создавать масштабируемые системы с двумя процессорами и физической памятью объемом до 64 Гб. 12

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 5. 2. Процессор Intel® Pentium® III Xeon™ позиционирован как процессор для двухпроцессорных конфигураций - для сегментов серверов и рабочих станций начального и среднего уровня. В процессоре Intel Pentium III Xeon используется 133 -МГц системная шина, обеспечивающая достаточный уровень масштабируемости для большинства приложений, исполняемых на вычислительных системах начального и среднего уровня. Основные характеристики -Выпускаются с тактовыми частотами от 600 МГц. 133 -МГц системная шина обеспечивает непосредственную поддержку двухпроцессорных конфигураций -Содержит кэш-память 2 уровня емкостью 256 кбайт -Микроархитектура P 6 с динамическим исполнением команд, предусматривающая прогнозирование множественных ветвлений, анализ потоков данных и упреждающее исполнение -Архитектура с двойной независимой шиной (D. I. B. ) Архитектура DIB предусматривает размещение кэш-памяти 2 уровня на отдельной высокоскоростной шине. -Объем адресуемой памяти 64 Гбайт -Потоковые SIMD-расширения -Шина SMBus обеспечивает эффективное взаимодействие между термодатчиком процессора, ПЗУ идентификации процессора, перезаписываемым ПЗУ для данных OEM-производителя и остальной системой 13 -Серийный номер процессора, доступный для программного обеспечения, для контроля аппаратных средств и идентификации

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 5. 3. Процессор Intel® Pentium® 4 В настоящее время выпускается семейство процессоров Intel® Pentium® 4: • Intel® Pentium® 4 с поддержкой технологии HT (Hyper-Threading) (520 -672) • Intel® Pentium® 4 Extreme Edition с поддержкой технологии HT • двухъядерный процессор Intel® Pentium® D (805 -960) • двухъядерный процессор Intel третьего поколения Intel® Core™ 2 Extreme (840, 955, 965) • процессор Intel® Core™ Duo –двухъядерный процессор следующего поколения (E 6300 -E 6700) Эти процессоры созданы на базе микроархитектуры Intel® Net. Burst®. Характеристики Процессор Pentium® 4 начал выпускаться с тактовыми частотами 1, 3 ГГц, 1, 4 ГГц и 1, 5 ГГц. Современные процессоры Intel® Pentium® 4 с технологией HT 1 поддерживают частоту системной шины 1066. 800, 533 и 400 МГц. Максимальная тактовая частота процессора составляет 3, 6 ГГц. Микроархитектура Intel® Net. Burst® поддерживает ряд инновационных возможностей, включая технологию Hyper-Threading, технологию гиперконвейерной обработки, частоту системной шины 1066, 800, 533 или 400 МГц, кэш-память для хранения истории исполняемых команд, а также расширенную кэш-память для передачи данных, расширенные функции выполнения команд, расширенные функции выполнения операций с плавающей запятой и мультимедийных операций, а также набор потоковых SIMD-расширений 2 (SSE 2). Новые процессоры Intel® Pentium® 4, изготовленные по новой 90 -нанометровой 14 производственной технологии, поддерживают набор потоковых SIMD-расширений 3 (SSE 3). .

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Технология Hyper-Threading (HT) – это технология Intel, которая позволяет увеличить производительность без увеличения тактовой частоты. С использованием этой технологии программы "видят" два процессора вместо одного, работая более эффективно. Новая технология позволяет процессору исполнять два набора, или потока, инструкций одновременно, таким образом увеличивая производительность и уменьшая время отклика. Технология гиперконвейерной обработки используемая в микроархитектуре Intel® Net. Burst®, повышает пропускную способность конвейера, обеспечивая увеличение производительности, тактовой частоты и масштабируемости процессора. Один из основных конвейеров, конвейер предсказания ветвлений/возвратов ветвления, реализован в процессорах Intel® Pentium® 4, изготовленных по 90 -нанометровой технологии, с глубиной конвейерной обработки в 31 шаг, в то время как в процессорах Intel® Pentium® 4, изготовленных по 0, 13 микронной технологии, глубина конвейерной обработки составляет 20 шагов. Поддержка высокопроизводительной системной шины Процессор Intel® Pentium® 4 поддерживает самую высокопроизводительную системную шину обеспечивающую обмен данными между процессором и другими компонентами со скоростью 6, 4 ГБ/с. Это происходит за счет использования схемы передачи сигналов, организованной на физическом уровне, позволяющей передавать 4 х-кратно увеличенный пакет данных. 15

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Кэш-память первого уровня с отслеживанием выполнения команд Процессор Intel® Pentium® 4, созданный на базе технологии с проектной нормой 90 нм, обладает увеличенным объемом кэш-памяти данных - 16 КБ по сравнению с 8 КБ процессора Intel® Pentium® 4 на базе 0, 13 -мкм технологии. Помимо кэш-памяти данных, процессор Intel®. Pentium® 4 имеет кэш-память первого уровня с отслеживанием выполнения команд, которая хранит до 12000 декодированных микроопераций в порядке их выполнения. Кэш-память с улучшенной передачей данных 2 уровня объемом 512 КБ или 1 МБ. Процессоры Intel® Pentium® 4, изготовленные по 90 -нанометровой производственной технологии, оснащены расширенной кэш-памятью второго уровня для передачи данных объемом 1 МБ. Улучшенное динамическое исполнение команд Блок улучшенного динамического исполнения команд представляет собой весьма сложное устройство, которое состоит из отдельных блоков, отвечающих за выполнение команд. Он также имеет усовершенствованный алгоритм предсказания ветвлений, обеспечивающий уменьшение числа ложных предсказаний 16

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Потоковые SIMD-расширения SSE 3. С появлением SSE 2 в микроархитектуре Intel® Net. Burst® к набору SIMD-расширений, представленному технологиями MMX и SSE, были добавлены еще 144 инструкции. Новые процессоры Intel® Pentium® 4, изготовленные по 90 -нанометровой производственной технологии, поддерживают набор потоковых SIMD-расширений 3 (SSE 3), имеющий 13 дополнительных команд SIMD, отсутствующих в наборе SSE 2. Улучшенный блок операций с плавающей запятой и обработки мультимедиа. Процессор Intel® Pentium® 4 расширяет регистры операций с плавающей запятой до полных 128 бит и добавляет дополнительный регистр для передачи данных, что повышает производительность работы приложений с плавающей запятой и мультимедийных приложений. 17

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. 5. 5. Двухъядерные процессоры Intel Модельный ряд двухъядерных процессоров Intel Процессоры Pentium Модельный ряд двухъядерных процессоров Pentium на сегодняшний включает в себя модели: процессор Intel Pentium Processor Extreme Edition 840 и процессоры семейства Intel Pentium D. Модельный ряд: Core Duo и Core Solo В 2006 г. для новых двухядерных процессоров компания Intel отказалась от брэнда Pentium – пока применительно к мобильной платформе Centrino и платформе для домашних компьютеров VIIV (произносится "вайв") – и выпустила процессоры на ядре Yonah уже под новым брэндом. 18

Нешвеев В. В. - Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Тема 6. Микропроцессоры. Октябрь 2012 г. Белгород, БУКЭП Нешвеев Виталий Владимирович – проректор по информационным технологиям БУКЭП тел. +7(4722) 26 -43 -49 E-mail nvv@bukep. ru pror-it@bukep. ru 19