Анализ развития процессоров фирмы Intel: семейство Pentium

Организация и режимы работы процессоров семейства Pentium

С именем Pentium и Intel ассоциируется ряд новых технологий и стандартов. Необходимость повышенной скорости передачи данных привела к созданию шины PCI. Новые мультимедийные приложения и обработка в реальном масштабе времени с телевизионным качеством заставили пересмотреть интерфейс видеоконтроллера - появились технологии быстрого графического интерфейса DCI и вывода трехмерной графики 3D Render.

Процессор Pentium включает все особенности процессора Intel-486 и имеет ряд новых существенных черт, таких как:

• суперскалярная архитектура, включающая два конвейера и позволяющая за один такт процессора выполнить более одной команды;
• предсказание ветвлений в программе, что реализуется специальными логическими схемами, которые определяют точку передачи управления в программе и обеспечивают предварительную подготовку к выполнению определенных фрагментов программы;
• конвейерное устройство для обработки данных с плавающей точкой (FPU);
• раздельные кэш-памяти команд и данных емкостью 8 Кбайт каждая;
• поддержка протокола обратной записи MESI (Modified/Exclusive/Shared/Invalid) для кэш-памяти данных;
• 64-разрядная ШД и 32-разрядная ША;
• конвейеризация машинного цикла;
• контроль на четность адреса и данных;
• внутренний контроль на четность;
• режим управления системой (System Management Mode).

В процессор Pentium встроены средства самотестирования и средства отладки программного обеспечения на основе механизма контрольных точек для останова процессора при выборе команд и обращений к данным.

Процессор Pentium включает полный набор команд процессора Intel-486 и содержит ряд новых команд, обеспечивающих расширение его функциональных возможностей.

Устройство управления памятью на кристалле процессора совместимо с процессорами Intel-386 и Intel-486. Два конвейера команд и устройство с плавающей точкой работают независимо. Имеется возможность выполнения двух команд в одном такте при обработке данных целого типа или одной, а иногда и двух простых команд с плавающей точкой.

Для предсказания ветвлений в программе процессор Pentium содержит два буфера предвыборки команд, один из которых обеспечивает предвыборку команд на линейном участке, а другой служит для предвыборки команд в соответствии с алгоритмом функционирования буфера целевого ветвления BTB (Branch Target Buffer). Это почти всегда позволяет осуществить предвыборку необходимой для выполнения команды.

Каждая кэш-память является двухканальной множественно-ассоциативной и имеет специальный буфер ассоциативной трансляции TLB (Translation Lookaside Buffer) для преобразования линейных адресов в физические. Кэш-память данных обеспечивает режим обратной (Writeback) или сквозной (Writethrough) записи строка за строкой и поддерживает протокол MESI.

Устройство управления памятью в процессоре Pentium поддерживает страницы до 4 Мбайт.

Динамическое исполнение программ в процессоре Pentium Pro

Процессор Pentium Pro совместим со всеми приложениями, созданными для семейства IA-32. Архитектура Pentium Pro в основном оптимизирована для работы с интенсивным использованием 32-разрядных регистров (ШД - 64-разрядная).

Внутри корпуса микросхемы находятся два кристалла: процессор и кэш-память второго уровня емкостью 256 Кбайт.

В Pentium Pro применено динамическое исполнение программы. Этот термин определил 3 способа обработки данных:

• глубокое предсказание ветвлений (с вероятностью > 90% можно предсказать 10 = 15 ближайших переходов);
• анализ потока данных (на 20-30 шагов вперед посмотреть программу и определить зависимость команд по данным или ресурсам);
• опережающее исполнение команд (ЦП P6 может выполнять команды в порядке, отличном от их следования в программе).