Анализ развития процессоров фирмы Intel: семейство Pentium

Архитектурные особенности процессоров семейства Pentium

Процессоры семейства Pentium имеют ряд архитектурных и структурных особенностей по сравнению с предыдущими моделями микропроцессоров фирмы Intel. Наиболее характерными из них являются:

• гарвардская архитектура с разделением потоков команд и данных при помощи введения отдельных внутренних блоков кэш-памяти для хранения команд и данных, а также шин для их передачи;
• суперскалярная архитектура, обеспечивающая одновременное выполнение нескольких команд в параллельно работающих исполнительных устройствах;
• динамическое исполнение команд, реализующее изменение последовательности команд, использование расширенного регистрового файла (переименование регистров) и эффективное предсказание ветвлений;
• двойная независимая шина, содержащая отдельную шину для обращения к кэш-памяти 2-го уровня (выполняется с тактовой частотой процессора) и системную шину для обращения к памяти и внешним устройствам (выполняется с тактовой частотой системной платы).

Основные характеристики процессоров семейства Pentium следующие:

• 32-разрядная внутренняя структура;
• использование системной шины с 36 разрядами адреса и 64 разрядами данных;
• раздельная внутренняя кэш-память первого уровня для команд и данных емкостью по 16 Кбайт;
• поддержка общей кэш-памяти команд и данных второго уровня емкостью до 2 Мбайт;
• конвейерное исполнение команд;
• предсказание направления программного ветвления с высокой точностью;
• ускоренное выполнение операций с плавающей точкой;
• приоритетный контроль при обращении к памяти;
• поддержка реализации мультипроцессорных систем;
• наличие внутренних средств, обеспечивающих самотестирование, отладку и мониторинг производительности.

Инициализация ПЭВМ на базе i86-х

Архитектура вычислительной машины, прежде всего, определяет методы взаимодействия между составляющими ее элементами и построена на концепции ядра и расширяющих его возможности модулей. Ядро - это системные ресурсы, без которых ПК работать не может. Модули расширения представляют собой законченные подсистемы, взаимодействующие с ядром по заданному протоколу.

Системное ядро ПК включает в себя:

• ЦП;
• 2-3-канальных таймера;
• 2 контроллера прерываний с 8 уровнями каждый;
• 2-4-канальных контроллера ПДП;
• порты ввода/вывода;
• CMOS-память;
• часы реального времени;
• контроллер клавиатуры;
• минимум 64 Кб нижней памяти.

К модулям расширения относятся:

• контроллеры накопителей;
• накопители;
• видеоадаптеры;
• сетевые карты.

В соответствии с архитектурой ПК построен и механизм пробуждения. После включения питания выполняются следующие действия:

• самодиагностика, идентификация, проверка процессора и сопроцессора;
• проверка и инициализация системного ядра;
• включение механизма "Plug&Play";
• проверка и инициализация видеоадаптера;
• проверка CMOS-памяти и часов реального времени;
• определение объема и проверка оперативной памяти;
• проверка клавиатуры и инициализация портов (LPT, COM);
• инициализация дисковых накопителей;
• проверка модулей расширения BIOS;
• включение механизма APR;
• вызов системного загрузчика;
• загрузка ОС.

Все перечисленные выше действия выполняет центральный процессор ПК под управлением BIOS (Basic Input Output System), записанного в микросхемах ПЗУ. BIOS представляет собой подпрограммы, предназначенные для изоляции операционной системы (ОС) и прикладных программ от конкретной аппаратной реализации того или иного узла персонального компьютера. Поэтому все обращения ОС или прикладных программ переадресуются подпрограммам BIOS. Исключения составляют программы, напрямую работающие с аппаратурой.

Встроенное программное обеспечение, кроме BIOS, содержит программы: POST (Power On Self Test - тест при включении питания), BIOS SETUP (программа установки параметров ПК и взаимодействия с CMOS-памятью, где эти данные хранятся). На этапе пробуждения ПК основное значение приобретает программа POST, обеспечивающая поиск, инициализацию и проверку компьютера.

Последовательность и содержание подпрограмм POST и BIOS определяются общими принципами функционирования ПК и его компонентов и поэтому во многом схожи, независимо от фирмы-разработчика BIOS, от типа и модели ПК. Для более подробного ознакомления с работой компьютера можно использовать листинг BIOS любой фирмы.

В последнее время BIOS часто хранится во flash-памяти, что позволяет пользователю обновлять (дополнять) версию BIOS без привлечения специальной аппаратуры.

Вопросы для самоконтоля

1. Что понимают под суперскалярной архитектурой?
2. Какие команды могут быть спаренными?
3. Какие способы обработки данных объединяет термин " динамическое исполнение программы "?
4. В чем состоит внутренняя RISC-архитектура ЦП Pentium Pro?
5. В работе какого процессора наблюдается отклонение от принципов фон Неймана? В чем это проявляется?
6. В чем состоит преимущество использования двойной независимой шины?
7. Что нового появилось в архитектуре процессора Pentium III по сравнению с Pentium MMX?
8. Какие особенности имеет Net Burst-архитектура?
9. В чем состоит отличие кэш-команд ЦП Pentium IV от всех предыдущих?