Курсовая работа (т): Мікропроцесори Intel

мав розташовану на кристалі кеш-пам'ять об'ємом 8 Кбайт, пізніше - 16 Кбайт, що працює на частоті ядра. Наявність кеша дозволило істотно збільшити швидкість виконання операцій мікропроцесором. Спочатку кеш Intel486 працював за принципом наскрізного запису (англ. write-through, WT), але пізніше, в рамках сімейства Intel486, були випущені моделі з внутрішнім кешем, працює за принципом зворотного запису (англ. write-back, WB). Процесор міг використовувати і зовнішній кеш, швидкість читання-запису якого, однак, була помітно нижче ніж у внутрішнього кеша. При цьому внутрішній кеш стали називати кешем першого рівня (Level 1 Cache), а зовнішній кеш, розташований на материнській платі, кешем другого рівня (Level 2 Cache). Кеш мав 4-канальну набірно-асоціативну архітектуру і працював на рівні фізичних адрес пам'яті.

Однак, в результаті використання інтегрованої кеш-пам'яті, істотно зросла кількість транзисторів у процесорі і, як наслідок, збільшилася площа кристала. Збільшення кількості транзисторів призвело до істотного збільшення тепла, що розсіюється. У середньому, розсіювана потужність збільшилася в 2 рази, в порівнянні з аналогічними моделями серії Intel386. Багато в чому цьому сприяла інтеграція кеш-пам'яті, хоча були й інші фактори, але вони не настільки істотні. З цієї причини процесори Intel486 старших моделей вже вимагали примусового (активного) охолодження.

В Intel486 був використаний вбудований математичний співпроцесор (англ. Floating Point Unit, FPU). Взагалі, це був перший мікропроцесор сімейства x86 з вбудованим FPU. Вбудований FPU був програмно сумісний з мікросхемою Intel 80387 - математичним співпроцесором, що застосовувався в системах з процесором Intel386. Завдяки використанню вбудованого співпроцесора здешевлюється процесор, швидкість зростає за рахунок зменшення загального числа контактів і корпусів мікросхем.

Технічні характеристики: дата анонсу першої моделі: 10 квітня 1989. Розрядність регістрів: 32 біт. Розрядність зовнішніх шин даних і адреси: 32 біт. Обсяг віртуальної пам'яті, що адресується: 64 Мбайт. Максимальний обсяг сегмента: 4 Гбайт. Обсяг фізичної адресної пам'яті: 4 Гбайт. Кеш L1: 8 Кбайт,- 16 Кбайт. Кеш L2: на материнській платі (на частоті FSB). FPU: на кристалі, у SX відключений. Тактові частота процесора, МГц: 16-150. Тактові частота FSB, МГц: 16-50. Напруга живлення: 5-3,3 В. Кількість транзисторів: 1185000, SX2 - 0,9 млн, SL - 1,4 млн, DX4 - 1,6 млн. Техпроцес, нм: 1000, 800 і 600 для DX4. Площа кристала: 81 мм² для 1185000 транзисторів і технології 1000 нм, 67 мм² для 1185000 транзисторів і 800 нм технології, 76 мм² для DX4. Роз'єм: гніздо типу Socket. Корпус: 168- і 169-контактний керамічний PGA, 132- і 208-контактний пластиковий PQFP. Інструкції: x86 (150 інструкцій, не рахуючи модифікацій). Процесор мав 32-бітні шини адреси і даних. Це вимагало наявності пам'яті у вигляді чотирьох 30-контактних або одного 72-контактного модуля SIMM.

Розміщення кристала в корпусі мікропроцесора

"Pentium" (укр. Пентіум) - торгова марка декількох поколінь мікропроцесорів сімейства x86, що випускаються корпорацією Intel з 22 березня 1993 року. Перший у серії Pentium був процесором Intel п'ятого покоління і прийшов на зміну Intel 80486 (який часто називали просто 486).

Процесори Pentium першого покоління. Дві (єдині) моделі анонсовані 23 березня 1993 і працювали з тактовою частотою ядра 60 і 66 МГц, частота системної шини (FSB) дорівнювала частоті ядра, тобто множник ядра дорівнював 1,0. Кеш другого рівня розміщувався на материнській платі і міг мати розмір до 1 Мб. Процесор випускався в 273-контактному корпусі CPGA, встановлювався в корпус Socket 4 і працював від напруги 5 В. Всі процесори Pentium відносяться до класу SL Enhanced - це означає, що в них передбачена система SMM, що забезпечує зниження енергоспоживання. Ранні варіанти процесорів, з частотами 60-100 МГц (ядра P5 і P54C), мали помилку в модулі FPU (математичний співпроцесор), яка в рідкісних випадках призводила до зменшення точності операції ділення. Цей дефект був виявлений в 1994 році і став відомий як "Pentium FDIV баг". Процесори на ядрі P5 виготовлялися з використанням 800-нанометрового техпроцесу, по біполярній BiCMOS-технології. Процесор містить 3,1 млн транзисторів, а розмір кристала ядра становить 294 мм ². Pentium 66 споживає струм в 3,2 А і має потужність 16 Вт, що зажадало установки додаткового вентилятора. Виробництво таких процесорів виявилося дуже складним і відсоток виходу придатних кристалів виявився занадто малий. Багато фахівців, вказуючи на численні недоліки процесорів Pentium першого покоління, не радили купувати дані моделі. Виробництво на час довелося зупинити. Однак незабаром почалося виробництво вдосконалених процесорів, заснованих на ядрі P54C.

Основні відмінності від процесора 486

Суперскалярна архітектура. Завдяки використанню суперскалярної архітектури процесор може виконувати 2 команди за 1 такт. Така можливість існує завдяки наявності двох конвеєрів - u-і v-. u-конвеєр - основний, виконує всі операції над цілими і речовими числами; v-конвеєр - допоміжний, виконує тільки прості операції над цілими і частково над речовими. Щоб старі програми (для 486) повною мірою використали можливості такої архітектури, необхідно було їх перекомпілювати. Pentium - перший CISC-процесор, що використовує багатоконвеєрну архітектуру. 64-бітна шина даних дозволяє процесору Pentium за один шинний цикл обмінюватися вдвічі більшим обсягом даних з оперативною пам'яттю, ніж 486 (при однаковій тактовій частоті). Механізм передбачення адреси розгалуження. Застосовується для скорочення часу простою конвеєрів, викликаного затримками вибірки команд при зміні лічильника адреси під час виконання команд розгалуження. Для цього в процесорі використовується буфер адреси розгалуження BTB (Branch Target Buffer), який використовує алгоритми передбачення адреси розгалуження. Роздільне кешування програмного коду і даних. У процесорах Pentium використовується кеш-пам'ять першого рівня (кеш L1) обсягом 16 Кб, розділена на 2 сегменти: 8 Кб для даних і 8 Кб для інструкцій. Це покращує продуктивність і дозволяє робити подвійне кешування доступним частіше, ніж це було можливо раніше. Крім того, змінено механізм кешування. Покращений блок обчислень з плаваючою точкою (FPU). Симетрична багатопроцесорна робота (SMP).

Pentium Pro (вимовляється: Пентіум Про) - процесор Intel шостого покоління, сумісний з архітектурою x86. Процесор був анонсований 1 листопада 1995, проте доступний став дещо пізніше. Спочатку планувалося замінити цим процесором всю лінійку Pentium, але надалі від цих планів Intel відмовилася і процесор позиціонувався, в основному, як процесор для серверів і робочих станцій. Крім того, процесор міг бути використаний при складанні багатопроцесорної конфігурації (до 4-х процесорів).

Процесори, випущені під маркою Pentium Pro, випускалися тільки на одному ядрі, відомому під кодовою назвою P6 (назва вказувала на приналежність процесора до шостого покоління). Були випущені моделі з тактовою частотою 150, 166, 180 і 200 МГц. Також був випущений інженерний зразок з частотою 133 МГц, однак у широкий продаж він не надійшов.

Незважаючи на назву Pentium це ядро сильно відрізнялося від усіх попередніх. Крім абсолютно нової архітектури, розробленої незалежно від процесорів п'ятого покоління, цей процесор відрізняло застосування технології динамічного виконання (зміни порядку виконання інструкцій) і архітектура подвійної незалежної шини (Double Independent Bus), завдяки чому зняті обмеження на пропускну здатність пам'яті. Процесор був укладений в 387-контактний корпус типу SPGA, встановлюваний в Socket 8, який механічно не сумісний ні з одним роз'ємом, що випускався раніше. Socket 8 розроблявся з урахуванням того, щоб об'єднати до 4-х процесорів у багатопроцесорну структуру MPS. В одному корпусі розміщувалося відразу два кристала - саме ядро процесора і кеш-пам'ять L2. Крім того, була додана ще одна шина, яка з'єднувала процесор з кешем L2. У результаті всього цього був вперше застосований кеш L2, що працює на частоті ядра. Кеш першого рівня становив 16Кб, а кеш L2 спочатку мав розмір 256Кб (так само випускалися процесори Pentium Pro 166 і 200 з кешем L2 об'ємом 512Кб), проте, 18 серпня 1997 був анонсований процесор Pentium Pro 200 з 1Мб кеш-пам'яті L2 на борту (два кристала кеш-пам'яті L2 по 512Кб). Pentium Pro був дуже дорогим (Pentium Pro

з 1Мб L2 спочатку коштував $ 2675) з огляду на те, що тепер в корпусі знаходилася дорога за собівартістю кеш-пам'ять L2. Розрядність шини адреси становила 36 біт.

Слід зазначити, що Pentium Pro не підтримував технологію MMX. При 32-бітних обчисленнях і багатозадачності він значно перевершував по продуктивності Pentium, але в 16-бітних додатках програвав йому. Багато в чому тому багато домашніх користувачів холодно зустріли Pentium Pro (тоді все ще була популярна 16-бітна операційна система Windows 3.1 і MS-DOS).

Технічні характеристики: Дата анонсу першої моделі: 1 листопада 1995. Тактові частоти (МГц): 150, 166, 180, 200. Частота системної шини (FSB) (МГц): 60, 66. Розмір кешу L1 (Кбайт): 8 (для даних) +8 (для інструкцій). Напруга живлення: 3,1 або 3,3 В. Кількість транзисторів у ядрі (млн.): 5,5. Площа кристала ядра (кв. мм): 195 або 306. Адресна пам'ять: 64 Гбайт. Розрядність регістрів: 32. Розрядність зовнішньої шини: 64. Розрядність шини адреси: 36. Розмір кешу L2 (Кбайт): 256 Кбайт (для Pentium Pro 166 також 512Кб, для Pentium Pro 200 також 512Кб і 1Мб). Максимальне тепловиділення (Вт): 47. Техпроцес (мкм): 0,5, 0,35. Роз'єм: Socket 8. Корпус: 387-контактний SPGA.

Intel Pentium II (укр. Intel Пентіум два) - процесор x86-сумісної мікроархітектури Intel P6, анонсований 7 травня 1997. Ядро Pentium II являє собою модифіковане ядро P6 (вперше використане в процесорах Pentium Pro). Основними відмінностями від попередника є збільшений з 16 до 32 Кб кеш першого рівня та наявність блоку SIMD-інструкцій MMX (що з'явилися трохи раніше в Pentium MMX), підвищена продуктивність при роботі з 16-розрядними додатками. У системах, побудованих на базі процесора Pentium II, повсюдне застосування знайшли пам'ять SDRAM і шина AGP.

Велика частина процесорів Pentium II випускалася в двох типах корпусів: SECC і SECC2. Pentium II в корпусі типу SECC являє собою картридж, що містить процесорну плату ("субстрат") з встановленою на ній мікросхемою процесора, а також двома або чотирма мікросхемами кеш-пам'яті типу BSRAM і tag-RAM. До мікросхеми процесора за допомогою пружних пластинок і штифтів притиснута теплорозподільна пластина (на ній, у свою чергу, встановлюється кулер). Маркування процесора знаходиться на картриджі.

Процесор призначений для установки в 242-контактний щілинний роз'єм Slot Кеш-пам'ять другого рівня працює на половині частоти ядра. У корпусі типу SECC випускалися всі процесори на ядрі Klamath, ранні моделі на ядрі Deschutes з частотами 266-333 Мгц і частина пізніх моделей на цьому ядрі. Основною відмінністю корпусу типу SECC2 від SECC є відсутність теплорозподільної пластини. Кулер, встановлений на процесор в корпусі типу SECC2, контактує безпосередньо з мікросхемою процесора. У корпусі типу SECC2 випускалися частина пізніх моделей Pentium II на ядрі Deschutes з частотами 350-450 МГц.

Існує також варіант Pentium II OverDrive в корпусі PGA (встановлюється в гніздовий роз'єм Socket 8) з повношвидкісним кешем другого рівня, призначений для заміни Pentium Pro. Ядро Klamath є еволюційним продовженням ядра P6, на якому був побудований Pentium Pro. Кеш-пам'ять першого рівня збільшено з 16 до 32 Кб, додано блок SIMD-інструкцій MMX, внесено зміни з метою підвищення продуктивності при роботі з 16-бітним кодом. Процесор має можливість роботи в двопроцесорних системах (на відміну від Pentium Pro, здатного працювати в чотирипроцесорних системах). Кеш другого рівня був винесений з корпуса процесора, в результаті чого вартість виробництва процесора була істотно знижена, так як це дозволяло Intel не займатися виробництвом мікросхем кеш-пам'яті, а закуповувати їх (використовувалися мікросхеми BSRAM виробництва Toshiba, SEC і NEC). Кеш об'ємом 512 Кб (чотири мікросхеми, розташовані на обох сторонах процесорної плати) працював на половині частоти ядра.

Процесор випускався по 350 нм технології, мав напругу ядра 2,8 В, виділяв велику кількість тепла і не мав високого частотного потенціалу. 26 січня 1998 Intel анонсувала процесор Pentium II, побудований на новому ядрі, що носить кодове ім'я Deschutes. На відміну від Klamath, процесори з ядром Deschutes виготовлялося по 250 нм технології, напругу ядра було знижено до 2,0 В, що дозволило значно знизити тепловиділення і підняти планку максимальної частоти до 450 МГц. Більшість процесорів ревізій Вх здатні працювати і на частотах понад 500 МГц.

Кеш другого рівня об'ємом 512 Кб і раніше працював на половині частоти ядра, проте був виконаний у вигляді двох мікросхем BSRAM, розташованих по обидві сторони кристала процесора. За деякими даними, це могло призводити до незначних втрат у продуктивності щодо Klamath на рівних частотах. В останніх ревізіях процесора Pentium II і ранніх Pentium III розташування мікросхем було змінено: мікросхеми розташувалися один над одним праворуч від кристала.

Піддалася змінам і tag-RAM: замість мікросхеми Intel 82459AB, що мала досить високе тепловиділення, використовуються мікросхеми 82459AC (в процесорах ревізії А0) і 82459AD. Остання практично не нагрівається і працездатна на частотах понад 500 МГц. Спочатку tag-RAM розташовувалася на звороті плати під кристалом, а потім була переміщена слідом за мікросхемами кеш-пам'яті.

Ранні процесори з ядром Deschutes, як і Klamath, мали картридж типу SECC. Охолодження кеш-пам'яті в цьому картриджі було утруднено: пластина тепловідведення не торкалася мікросхем BSRAM, тому спочатку пластина тепловідведення була модернізована (з'явилися виступи, що дозволяють здійснити контакт з мікросхемами), а потім зникла. Картридж без тепловідводної пластини отримав найменування SECC2.

Щоб відрізнити моделі, що працюють на однакових частотах (266 і 300 МГц), але мають різні ядра, у процесорів, побудованих на ядрі Deschutes, в кінці назви дописували літеру "A". Ранні процесори (з частотами 266, 300, 333, 350 і 400 МГц) мали розмір кристала 131 мм ², з виходом нової ревізії розміри кристала зменшилися до 118 мм ². Процесори з частотою 350 МГц і вище працювали із зовнішньою частотою 100 МГц. Модифіковане ядро Deschutes, в якому з'явився блок SSE, отримало найменування Katmai і лягло в основу наступного процесора компанії Intel - Pentium III.

Intel Pentium III (Intel Пентіум три) - x86-сумісний процесор архітектури Intel P6, анонсований 26 лютого 1999. Ядро Pentium III являє собою модифіковане ядро Deschutes (яке використовувалося в процесорах Pentium II). У порівнянні з попередником розширено набір команд (доданий набір інструкцій SSE) і оптимізована робота з пам'яттю. Це дозволило підвищити продуктивність як у нових програмах, що використовують розширення SSE, так і в існуючих (за рахунок зрослої швидкості роботи з пам'яттю). Також був введений 64-бітний серійний номер, унікальний для кожного процесора.

Процесори Pentium III для настільних комп'ютерів випускалися в трьох варіантах корпусів: SECC2, FCPGA і FCPGA2.

Pentium III в корпусі SECC2 являє собою картридж, що містить процесорну плату ("субстрат") з встановленим на ній ядром процесора (у всіх модифікаціях), а також мікросхемами кеш-пам'яті BSRAM і tag-RAM (в процесорах, заснованих на ядрі Katmai). Маркування знаходиться на картриджі. Процесор призначений для установки в 242-контактний щілинний роз'єм Slot 1. У процесорах, заснованих на ядрі Katmai, кеш-пам'ять другого рівня працює на половині частоти ядра, а в процесорах на ядрі Coppermine - на частоті ядра.III в корпусі FCPGA являють собою підкладку з органічного матеріалу зеленого кольору з встановленим на ній відкритим кристалом на лицьовій стороні і контактами на зворотному. Також на зворотному боці корпусу (між контактами) розташовано кілька SMD-елементів. Маркування нанесено на наклейку, розташовану під кристалом. Кристал захищено від сколів спеціальним покриттям синього кольору, що знижує його крихкість. Однак, незважаючи на наявність цього покриття, при неакуратній установці радіатора (особливо недосвідченими користувачами) кристал отримував тріщини і відколи (процесори, що отримали такі пошкодження, на жаргоні називалися колотими). У деяких випадках процесор, що отримав істотні пошкодження кристала (відколи до 2-3 мм з кута), продовжував працювати без збоїв чи з рідкісними збоями.