64-разр. шина данных

32-разр. шина адреса

Упр.

сигналы

Данные

Упр.

сигналы

Модуль

Модуль страницы

64-разр. 64 шина данных

APIC

Предвы-

TLB

Кэш команд 8 Кбайт

256

Счетчик команд

Адр.ветвления, исп. адреса

Буферы предвыборки

Дешифратор команд

ц

Управление ROM

Модуль управления

32

32-разр. шина адреса

Выдача адреса по U-конвейеру

Выдача адреса по V-конвейеру

Регистры для целых чисел

ALU

(U-конвейер)

Сдвиговый регистр

ALU

(V-конвейер)

32. А L,

32

-и-»- Кэш данных * 328 Кбайт

h

32

32

32

Математический сопроцессор

Устройство управления

Регистры

Add

Divide

Multiply"

80

80

Внутренняя архитектура процессора Pentium

шины

Несмотря на то что внешняя шина данных 64-разрядная, внутренние регистры Pentium - 32-разрядные. При выполнении команд и обработке данных внутри процессора они предварительно разбиваются на 32-разрядные элементы и обрабатываются почти так же, как в процессоре 486. Иногда говорят, что Intel вводит всех в заблуждение, называя Pentium 64-разрядным процессором. На это можно ответить, что внешний обмен данными все-таки 64-разрядный. Внутренние же регистры Pentium полностью соответствуют регистрам процессора 486.

Pentium имеет два встроенных кэша объемом по 8 Кбайт каждый, тогда как в процессоре 486 содержится один кэш объемом 8 или 16 Кбайт. Схемы кэш-контроллера и сама кэш-память размещены на кристалле процессора. В кэшпамять копируется информация (данные и программные коды) из различных областей системной памяти. Кэш-память процессора Pentium может также хранить информацию, которая должна быть записана в память, до того момента, пока не снизится нагрузка на процессор и другие компоненты системы. (Процессор 486 выполняет все записи в память сразу.)

Отдельное кэширование кода и данных организовано по двухстраничной схеме; каждая страница разделена на строки по 32 байт. Для каждого кэша предусмотрен специальный ассоциативный буфер трансляции (преобразования) адресов (Translation Lookaside Buffer - TLB), предназначенный для преобразования линейных адресов в физические адреса памяти. Кэш-память может работать как в режиме сквозной записи, так и в двунаправленном режиме, т. е. с построчным опросом. Производительность процессора в двунаправленном режиме оказывается выше, поскольку в кэшпамять записываются не только считываемые данные, но и результаты, в отличие от режима сквозной записи (при котором в кэш-память записываются только считываемые данные). В двунаправленном режиме значительно уменьшается количество обменов данными между процессором и системной памятью. В программном кэше предусмотрена защита от записи, поскольку в нем хранятся только программные инструкции, а не меняющиеся по ходу выполнения программ данные. Благодаря использованию укороченных циклов памяти данные в кэш-память (или из нее) могут быть переданы очень быстро.

Производительность компьютеров с процессором Pentium значительно повышается при использовании внешней кэш-памяти (второго уровня), которая обычно имеет емкость 512 Кбайт и выше и строится на основе быстродействующих микросхем статических RAM (время задержки - 15 нс и меньше). Если процессор пытается считать данные, которых еще нет во встроенной кэш-памяти (первого уровня), то состояния ожидания существенно замедляют его работу. Если же эти данные уже записаны во внешнюю кэш-память, процессор выполняет программу без остановок.

Процессор Pentium изготавливается с использованием биполярной КМОП-технологии (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor - BiCMOS), применение которой приблизительно на 10% усложняет микросхему, но позволяет повысить ее производительность на 30-35% без увеличения размеров кристалла и потребляемой мощности.

Все процессоры Pentium относятся к классу SL Enhanced, т. е. в них предусмотрена система SММ, обеспечивающая снижение энергопотребления. В процессорах Pentium второго поколения (с тактовой частотой 75 МГц и выше) эта система усовершенствована и предусматривает возможность переключения тактовой частоты, в результате чего дополнительно снижается потребляемая мощность. Возможна даже полная приостановка подачи тактовых сигналов (при этом процессор переходит в дежурный режим с минимальным потреблением мощности). Процессоры Pentium второго поколения работают при напряжении питания 3,3 В, что также снижает потребляемую мощность и, следовательно, нагревание микросхемы.

Во многих системных платах предусмотрено напряжение 3,465 или 3,3 В. Напряжение 3,465 В Intel называет VRE (Voltage Reduced Extended); оно требуется для некоторых версий процессора Pentium, особенно для тех, которые работают на частоте 100 МГц. Стандартная величина напряжения 3,3 В называется STD (стандартной), оно используется большинством процессоров Pentium второго поколения. Величина напряжения STD может находиться в диапазоне от 3,135 до 3,465 В, номинальное значение - 3,3 В. Существует также специальное значение напряжения - 3,3 В, называемое VR (Voltage Reduced - уменьшенное напряжение), его величина может находиться в диапазоне от 3,300 до 3,465 В, номинальное значение - 3,38 В. Для работы некоторых процессоров требуется именно такое напряжение, и оно поддерживается большинством системных плат. Ниже приведены спецификации применяемых напряжений.

Чтобы еще больше снизить энергопотребление, Intel разработала специальные процессоры Pentium. Они встраиваются не в обычные корпуса, а в новый пленочный корпус (Tape Carrier Packaging - TCP). Процессор не устанавливается в керамический или пластиковый корпус, а покрывается тонкой защитной пластиковой пленкой. Процессор очень тонок (менее 1 мм, или в два раза тоньше монеты в 10 центов) и весит меньше 1 г. Производителям компьютеров эти процессоры продаются в катушках. Процессор в корпусе TCP припаивается непосредственно на системную плату специальным устройством, и, поскольку он легче, а его корпус меньше, улучшается распределение температуры и снижается энергопотребление. Специально впаянные разъемы на плате, расположенной прямо под процессором, в портативных компьютерах прекрасно охлаждаются и без вентиляторов.

В Pentium, как и в процессоре 486, имеется встроенный сопроцессор. Однако работает он в 2-10 раз быстрее, и при этом сохраняется совместимость с сопроцессорами 486 и 387. Кроме того, как уже отмечалось, два конвейера процессора выполняют математические операции над целыми числами - сопроцессор же предназначен для более сложных расчетов. В других процессорах, например в 486-м, всего один конвейер, значит, и один математический сопроцессор.

Процессоры Pentium первого поколения

Существует три разновидности процессоров Pentium, каждая из которых выпускается в нескольких модификациях. Процессоры первого поколения работают на частотах 60 и 66 МГц, имеют 273-контактный корпус PGA и рассчитаны на напряжение питания 5 В. Они работают на той же частоте, что и системная плата, т. е. кратность умножения равна 1х.

Процессоры Pentium первого поколения производятся по биполярной BiCMOS-технологии, при которой используется структура минимального размера (0,8 мкм). Но производство микросхемы, содержащей около 3,1 млн транзисторов, оказалось слишком сложным. В результате выход годных микросхем был низким, и производство их приостановилось. В то же время некоторые компании, например IBM и Mоtorola, при изготовлении своих самых сложных микросхем перешли к технологии, при которой использовалась структура размером 0,6 мкм. Из-за большого размера кристалла и высокого напряжения питания (5 В) процессор Pentium с тактовой частотой 66 МГц потребляет около 3,2 А (мощность - 16 Вт!), выделяя огромное (для микросхемы) количество тепла. Это потребовало установки в некоторых компьютерах дополнительного вентилятора.

Критика процессоров Pentium во многих отношениях была оправданной. Зная, что от первоначальной разработки трудно ожидать большего, специалисты утверждали, что в ближайшем будущем должна появиться более совершенная микросхема и лучше не приобретать компьютеры с процессорами Pentium этого поколения, а дождаться появления микросхем следующего поколения.

Совет

Таким образом, можно сформулировать одно из главных правил компьютерного мира: никогда не связывайтесь с первым поколением устройств. Наберитесь терпения и подождите, пока на горизонте появится что-либо получше.

Тем не менее существует выход и для тех, кто приобрел процессор Pentium первого поколения. Точно так же, как для первых систем 486, компания Intel выпустила микросхемы OverDrive, которые позволили практически удвоить быстродействие процессоров Pentium 60 или 66. Для этого приходилось, правда, заменять существующий процессор чипом OverDrive. Последующие модели процессоров Pentium совершенно несовместимы с компоновкой Pentium 60/66 Socket 4, поэтому использование микросхемы OverDrive было единственной возможностью модификации процессора Pentium первого поколения, не требующей замены системной платы.

Микросхема OverDrive позволяла повысить быстродействие системы максимум в два раза. Поэтому все же следует полностью заменить системную плату и, конечно, процессор, тем самым существенно повысив производительность системы.

Процессоры Pentium второго поколения

В марте 1994 года Intel начала выпуск процессоров Pentium второго поколения. Эти процессоры работают на частотах 90 и 100 МГц; существует также модель, работающая на частоте 75 МГц. Кроме того, появились модификации, рассчитанные на 120 и 133, 150, 166 и 200 МГц. Они производятся по биполярной BiCMOS-технологии, при которой используется структура размером в 0,6 мкм (75/90/100 МГц); это позволило уменьшить размер кристалла и снизить потребляемую мощность. В более быстродействующих версиях процессора Pentium второго поколения используется еще меньший кристалл, созданный по 0,35-микронной BiCMOS-технологии. Микросхема Pentium показана на рисунке, представленном ниже. Напряжение питания, используемое этими микросхемами, - 3,3 В и ниже. Ток, потребляемый процессором с тактовой частотой 100 МГц, равен 3,25 А, что соответствует потребляемой мощности 10,725 Вт. Менее быстродействующий процессор с тактовой частотой 90 МГц потребляет ток 2,95 А, что соответствует потребляемой мощности 9,735 Вт. Процессор с тактовой частотой 150 МГц потребляет ток не более 3 А при напряжении 3,3 В (мощность 11,6 Вт); процессор с тактовой частотой 166 МГц - 4,4 А (14,5 Вт), а процессор на 200 МГц - 4,7 А

(15,5 Вт).

Процессоры выпускаются в 296-контактном корпусе SPGA, который не совместим с корпусом процессора первого поколения. Перейти от микросхем первого поколения к микросхемам второго поколения можно только одним способом - заменить системную плату. На кристалле процессора Pentium второго поколения располагается 3,3 млн транзисторов, т. е. больше, чем у первых микросхем. Дополнительные транзисторы появились в результате того, что были расширены возможности управления потребляемой мощностью (в частности, введено переключение частоты тактового сигнала, в состав микросхемы включен усовершенствованный программируемый контроллер прерываний АРГС (Advanced Programmable Interrupt Controller) и интерфейс двухпроцессорного режима DP (Dual Processing)).

Контроллер АРГС и интерфейс DP предназначены для организации взаимодействия между двумя процессорами Pentium второго поколения, установленными на одной системной плате. Многие новые системные платы выпускаются с двумя гнездами типа Socket 5 или Socket 7, что позволяет использовать "многопроцессорные" возможности новых

Процессор Pentium. Фотография публикуется с разрешения

Intel