Процессоры
Министерство
общего и профессионального образования Российской Федерации
Хабаровский государственный
технический университет
кафедра АиС
Р Е Ф Е Р А Т
на тему:
Микропроцессоры
Выполнили:
ст.гр.УИТС-71
Буренок Н.
Проверил: .
Х а б а р о в
с к 1998
Содержание
1. Введение
2.Важнейшие определения
3.Cемейство процессоров x88/x86
4.
i8088
5. i8086
6. i80286
7. i80386DX
8. i80386SX
9. i486
10.i486SX
11. i80386SL
12.i486SL
13. Процессоры с умножением частоты.
14. Pentium
15. Pentium Pro
16. Pentium II Xeon
17. Несколько слов о
производительности.
Введение.
Важнейший компонент любого
персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени
определяет возможности вычислительной
системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени
безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel.
Микропроцессор, как правило, представляет
из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином
полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора.
Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто
интегральными микросхемы называют
чипами (chips).
К обязательным компонентам микропроцессора
относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления.
Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной
слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура
микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а
также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие
типы данных: бит(один разряд), байт (8 бит),
слово
(16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды
предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции,
передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между
регистрами, памятью, портами ввода-вывода).
Под конвейерным режимом понимают такой вид
обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в
функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве)
микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут
вводится в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс
в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты
передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства.
Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным
для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа
обработки команды микропроцессора:
выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде
случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья
выбираться.
С внешними устройствами микропроцессор
может «общаться» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных на
специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров
микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий
данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь,
например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой
микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса
как 2 в степени N, где N - количество адресных линий.
Важнейшие
определения.
Прежде чем продолжить рассказ о
микропроцессорах, напомним важные определения, которые пригодятся в дальнейшем.
Любое внешнее устройство, совершающее по отношению
к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным.
Регистр представляет собой совокупность
бистабильных устройств ( то есть имеющих два устойчивых состояния),
предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве
таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою
очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В
регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит
информации.
Порт - это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или
несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например
периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая
микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый
порт персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера
порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства
основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.
Под прерыванием понимается сигнал,
по которому процессор узнаёт совершении некоторого асинхронного события. При
этом исполнение текущей
последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в
место неё начинает выполнятся другая
последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно
классифицировать как аппаратные, логические и программные. Аппаратные
прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например,
нажатие клавиши клавиатуры ), логические возникают при работе самого
микропроцессора
(деление
на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются
для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть
маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на
определение прерывания) микропроцессор не обращает на них внимание, и
немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти
катастрофические события (падение
напряжения питания или ошибка памяти).
В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной
памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее
эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость
обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке
данных в память с внешнего накопителя).
Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д.
используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после
соответствующего числа стоит буква ‘h’ (hexadecimal).
Семейство процессоров x88/x86.
Первый микропроцессор - i4004 - был
изготовлен 1971 году и с тех пор фирма Intel
(INTegrated Electronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит,
пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая чистота этого прапрадедушки
современных «числодробилок» составляла всего 750 кГц.
Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по
разработке однокристаллических микропроцессоров (i4040,
i8008)
возвестила о наступлении новой эры персональных компьютеров. Наиболее успешным
был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Кстати, впоследствии
именно на этом микропроцессоре был основан компьютер «Альтаир», для которого
молодой Бил Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный
микропроцессор был выполнен по n-канальной МОП-технологии (n-MOS),
а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что
классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на
дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный
успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал
другой микропроцессор фирмы Intel.
i8088
Микропроцессор i8088
был анонсирован
Intel в июне 1979 года, а в 1981-м «Голубой Гигант» (фирма
IBM) выбрал этот микропроцессор для своего первого персонального компьютера
и, надо сказать не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов.
Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088
была
возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти
в 1 Мбайт. Здесь следует, правда, отметит, что для IBM
PC в этом
пространстве было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными
устройствами (дисками, видео) i8088
был связан внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура
(адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами.
Как
известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было
отведено 8 линий (1 байт). Первоначально микропроцессор i8088
работал на частоте
4,77
МГц и имел быстродействие 0,33 MIPS (Million Instruction
Per Second),
однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8
МГц).
i8086
Чип 8086, появившийся ровно
на год раньше своего счастливого последователя (в июне 1978 года), стал
популярен благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель
(доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадает с моделью i8088.
Основное отличие данных микропроцессора состоит в различной разрядности внешней
шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 у i8086.
Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно
было достичь при использовании
компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора
i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти.
i80286
Опираясь на архитектуру i8086 и
учитывая запросы рынка, в феврале 1982 года фирма Intel выпустила свой новый микропроцессор - i80286.
На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Надо сказать, что
этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM - PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог
теперь работать в двух режимах - реальном и защищённом. Если первый режим был
(за рядом исключений) похож на обычный режим работы i8088/86, то второй использовал
более изощрённую технику управления памятью. В частности, защищённый режим
работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью свыше 1 Мбайта.
Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые
использована в IBM PC/AT286, мог обмениваться с периферийными устройствами
2-байтными сообщениями. 24 адресные линии нового микропроцессора позволяли в
защищённом режиме обращаться уже к
16
Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем
были реализованы многозадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой
частоте 8 МГц достигалась производительность
1,2 MIPS.
i80386DX
В октябре 1985 года фирмой Intel был
анонсирован (представлен) первый
32-разрядный
микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Первым компьютером,
использующий этот процессор, был Compaq Desk Pro 386 (другие источники говорят о
лидерстве фирмы ALR). Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные
регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была
дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory
Management Unit), которая
помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоками
управления страницами (Paging Unit). Это устройство позволяло
легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и
освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц
быстродействие нового процессора составляло примерно 6 MIPS.
В реальном режиме (после включения
питания) микропроцессор i80386 работал как « быстрый i8088 » (адресное
пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищённый режим был полностью
совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее в этом режиме i80386 мог выполнять и свои
«
естественные » (native) 32-разрядные программы. Напомним, что 32 адресные
линии микропроцессора позволяли физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме
того был введён новый режим - виртуального процессора (V86). В этом режиме могли
одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.
i80386SX
Более дешёвая альтернатива 32-разрядному процессору i80386,
который в последствии получил окончание DX, появился только в июне
1988 года. То был процессор i80386SX. В отличие от своего
старшего « собрата » новы микропроцессор использовал 16-разрядную шину внешних
данных и
24-разрядную
адресную (адресуемое пространство - 16 Мбайт). Это было особенно удобно для
стандарта PC/AT, системная шина которых использует, как известно,
только 16 линий данных. Благодаря дешевизне
нового изделия многие производители «железа» стали заменять уже
устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX. Одним
из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных
микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно
работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью
идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор i80386SX
выпускался в количестве, существенно превосходящих рекордные показатели для i80386DX.
Кстати, говорят, что индекс SX произошёл от слова SiXteen (шестнадцать),
поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно
такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора.
i486
На осенней выставке Comdex
в 1989 году
фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор i486DX, который содержал более
миллиона транзисторов (а точнее, 1,2
миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессором ряда х86.
Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства - микропроцессора i8088 -
насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами
фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80. Новая
микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный
процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной
архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило
достичь четырёхкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это
связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная
встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счёт промежуточного
хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц
микропроцессор показал производительность 16,5 MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с
тактовой частотой
50
МГц позволила увеличить производительность ещё
на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчал и
ускорял математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный
сопроцессор необходим только 30% пользователей.
i486SX
Появление нового микропроцессора i486SX фирмы
Intel вполне можно считать одним из
важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что
компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой
20
МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с
тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX,
подобно
оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот
математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря
исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно
снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX
был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой
для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе
микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для
построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают
механизм семафоров памяти, аппаратно-реализованное выявление недостоверности
строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями
кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486
допускается
адресация физической памяти размером 64 Тбайт.
i80386SL
К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали
стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных
компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году
фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно
855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой
интегрированный вариант микропроцессора i80386SX,
базовая
архитектура которого дополнена ещё несколькими вспомогательными контролерами.
По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного
компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и
периферийном контролере i82360SL. В набор i82360SL впервые
введено новое прерывание, называемое System Management
Interrupt (SMI),
которое может быть использовано для обработки событий, связанных, например, с
управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80386SL данный
набор микросхем позволяет создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного
превышающий размер игральной карты.
i486SL
Микросхема i486SL
представляет собой самый производительный процессор серии SL, разработанный
фирмой Intel. Анонсированная в конце 1992 года, эта микросхема объединяет
характерные черты двух представителей процессорных семейств Intel: i486DX и
i80386SL. По
производительности новый процессор не уступает i486DX,
но благодаря
пониженному напряжению питания (3,3 В) и развитой технологией управления
энергоснабжения (как в i80386SL) он может эффективно
использоваться в портативных компьютерах. Производительность системы на базе i486SL можно
существенно улучшиться благодаря 16-разрядной шине высокоскоростного
периферийного интерфейса PI, которая поддерживает
быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на
основе флэш-памяти. По некоторым оценкам, системная плата компьютера на базе i486SL примерно
на 60% меньше, чем при использовании i80386SL, а среднее время автономной
работы компьютера-блокнота (около 3 часов) может увеличится на один час только
за счёт использования нового микропроцессора.
Кстати, с конца 1993 года фирма Intel начала
выпускать новую серию микропроцессоров 486SL
Enhanced, которая
заменила 5-вольтовые 486SX, 486DX, 486DX2, и OverDrive-процессоры. Подобные
процессоры имеют напряжение питания 3,3 В и развитую технологию
энергосбережения, что полностью соответствует американской национальной
программе Energy Star.
Процессоры с умножением частоты.
В марте 1992 года фирма Intel объявила
о создании второго поколения микропроцессоров 486. Эти микропроцессоры,
названные i486DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость
работы внутренних блоков
микропроцессора в два 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-мегагерцовой
системной платой. Новые микропроцессоры по прежнему включали в себя центральный
процессор, математический сопроцессор и кэш-память на 8 Кбайт. Компьютеры,
поставляемые на базе микропроцессоров i486DX2, работают приблизительно на
70% производительней тех, что основаны на микропроцессорах i486DX
первого поколения. Несколько позже появились процессоры i486SX2, в
которых, как следует из названия, отсутствует встроенный сопроцессор.
Следует напомнить, что технология
умножения частоты стала использоваться также в процессорах OverDrive.
Кстати, как заявляют представители фирмы Intel,
OverDrive - это
не конкретные микросхемы, а, скорее, новая методология замены процессоров. По
сути, основное различие между процессорами серии DX2 и OverDrive
Intel состоит в
том, что первые монтируются на системных платах ещё при сборке компьютеров, а
вторые должны устанавливаться самими пользователями. Внутренние функциональные
узлы подобных устройств (математический сопроцессор, кэш, устройство управления
памятью, арифметико-логическое устройство) используют удвоенную тактовую частоту,
в то время как остальные элементы системной платы (системная и внешняя
кэш-память, вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью. Такой «фокус»
позволяет увеличить производительность системы, как правило, за счёт хранения
части данных и выполняемых кодов программ во внутренней кэш-памяти. Понятно,
что в противном случае игра не стоила бы свеч: какой смысл уменьшать время
обработки типа регистр-регистр, если потом придётся сравнительно долго ждать
новых операндов из внешней памяти? Отметим, что повышение производительности
процессоров сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности.
В настоящее время технология умноженной
частоты (не только в два, но и, например,
в полтора, два с половиной или три раза) находит широкой практическое
применение во всех современных
процессорах. Так, фирма Intel выпускала серию
микропроцессоров с умножением частоты - DX4 (кодовое название P24C ).
Процессоры этого семейства - 486DX4-75, 486DX4-83 и 486DX4-100
имеют
кэш-память 16 Кбайт и предназначены для установки с системные платы, работающие
на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляет
3,3 В, количество транзисторов на кристалле - 1,6 миллиона.
Pentium
В марте 1993 года фирма Intel объявила о начале
промышленных поставок 66- и 60-мегагерцовых версий процессора Pentium,
известного ранее как 586 или P5. Название нового
микропроцессора является зарегистрированной торговой маркой корпорации Intel .
Таким образом, в системах Intel Inside микропроцессор 586
фигурировать не будет. Системы, построенные на базе Pentium,
полностью
совместимы со 100 миллионов персональных компьютеров, использующих
микропроцессоры i8088, i80286, i80386, i486. Новая микросхема содержит
около 3,1 миллиона транзисторов и имеет
32-разрядную адресную и 64-разрадную внешнюю шину данных, что обеспечивает
обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с. В
отличие от 486-х процессоров, для производства которых использовалась CMOS-технология,
для Pentium фирмы Intel применила 0,8-микронную BiCMOS-технологию.
Pentium с тактовой частотой 66 МГц
имеет производительность 112 MIPS (миллионов
операций в секунду). Суперскалярная архитектура содержит два пятиступенчатых
блока исполнения, работающих независимо и обрабатывающих две инструкции за один
такт синхронизации. Pentium имеет два
раздельных 8-Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Одним из
наиболее интересных новшеств, используемых в Pentium,
является
небольшая кэш-память, называемая Branch Target Buffer - BTB (буфер меток перехода),
которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах.
По скорости выполнения операций с плавающей точкой Pentium
оставляет
далеко позади всех своих «собратьев по классу» - i486DX-33
(почти в 10
раз), i486DX2-66 (2,5 раза). Это достигается, в частности, благодаря
реализации оптимальных алгоритмов, а также специализированным блокам сложения,
умножения и деления с восмиступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять
операции с плавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486 специального
конвейера для устройств с плавающей точкой предусмотрено не было.
В настоящее время микросхемы Pentium сняты
с производства.
Pentium Pro
1 ноября 1995 года фирма Intel объявила
о начале коммерческих поставок микропроцессора нового поколения Pentium Pro
именуемого до недавнего времени P6. В его основе лежит
комбинация технологий, известная как Dynamic Execution. Собственно, это три уже
известные технологии: многократное предсказание ветвлений, анализ потоков
данных и эмуляция выполнения инструкций. В корпусе микросхемы размещены два
кристалла, одним из которых является 256- или 512-Кбайтная кэш-память второго
уровня. На кристалле процессора, как обычно, расположен 16-Кбайтный кэш. На
сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с
тактовой частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Если микросхема Pentium Pro 150 выпускается согласно технологическим нормам 0,6 мкм, то процессоры с
более высокой тактовой частотой используют уже технологические нормы 0,35 мкм.
Показатель производительности для Pentium Pro 200 по тесту SPECint92 соответствует
366. Иными словами, новый процессор превосходит аналогичный показатель даже для
RISC-архитектур. Число транзисторов основного кристалла составляет примерно 5,5,
а кристалла кэш-памяти - соответственно
15,5 или 31 миллион. При напряжении питания около 3 В процессор (вместе с
кэш-памятью второго уровня) рассеивает примерно 14 Вт. Изделие выполнено в PGA-корпусе
с 387 выводами.
Архитектура Pentium
Pro позволяет
соединять между собой множество процессоров, создавая таким образом
непревзойдённую масштабируемость. Так,
Министерство энергетики США создала
систему, базирующуюся на 9 тысячах процессоров.
Pentium II Xeon
C начала июля 1998 года по всему
миру проходила серия мероприятий, посвящённых представлению самого мощного
процессора архитектуры х86 корпорации Intel. Задолго до этого из
информации, размещённой на Web-сайтах Intel стало
известно его название и назначение. Особо подчёркивалось, что слово Xeon нежно
произносить как «Зеон», но российское представительство приняло решение
подчинить это название нормам русского (и греческого) языка. Так что в России
мы будем иметь дело с «Ксеоном»,- ведь есть же у нас Ван Клиберн и Мехико.
Новый процессор, к слову, стал подарком
компании-производителя самой себе по случаю тридцатилетия.
Первое, что бросается в глаза, - необычно
крупный размер процессорного картриджа в который «пакуется» Xeon.
Он предназначен для установки в разъём
новой конструкции Slot 2. По словам разработчиков,
это связанно с увеличением ёмкости кэш-памяти второго уровня. В настоящий
момент процессоры Xeon с единой тактовой частотой поставляются в двух
вариантах: с 512 Кбайт и 1 Мбайт кэша L2. Но уже в текущем году
планируется довести ёмкость кэш-памяти второго уровня до 2 Мбайт и повысить
тактовую частоту до 450 МГц. Напомню, что старый Pentium
II комплектовался
лишь 512 Кбайт.
Но ещё больший интерес вызывает тот факт,
что конструкторы смогли «заставить» L2-кэш работать на тактовой
частоте процессорного ядра. Напомню, что та же концепция была реализована в Pentium Pro, но при этом разработчики «столкнулись» на стадии производства (процент
выхода двух качественных кристаллов оказался ниже предполагаемого), и процессор
оказался довольно дорогим. Возможно, именно поэтому Pentium
II изначально
создавался с «разделением» кристаллов (основного и кэша L2), за
что пришлось расплачиваться «половиной» тактовой частоты кэш-памяти второго
уровня.
Высокая частота работы кэша спровоцировала
увеличение теплоотдачи процессорного блока, поэтому потребовалось использование
массивной поглощающей тепло пластины, что, в свою очередь, привело к увеличению
веса и габаритов модуля.
В каждом модуле Slot
2 три
специальных области данных: доступная только для чтения, область для чтения/записи
и динамическая информация о температуре внутри процессорного модуля. В
области первого типа помещена информация о версии процессора, данные о
пошаговой отладке и указана предельно допустимая температура. Во второю область
памяти пользователи могут вводить свою информацию. Доступ к динамическим данным
об изменении температуры даёт возможность управляющим программам оповещать
администратора об опасных системных
событиях.
Увеличение ёмкости кэша второго уровня
повышает пропускную способность системы благодаря мгновенному доступу
процессоров к часто используемым данным и инструкциям, хранящимся в быстрой
кэш-памяти. По заявлению Intel, увеличение ёмкости кэша с
512 Кбайт до 1 Мбайт приводит иногда к 20% росту общей производительности
системы.
Для объяснения этого явления уместно провести аналогию с
холодильниками, используемую Intel: хранение запаса продуктов
в холодильнике избавляет поваров ресторана от необходимости ездить по
магазинам, закупая провизию. Чем больше холодильник, тем лучше, особенно в час
пик, когда количество клиентов в ресторане резко возрастает. Так вот, в случае
с сервером «холодильник» - это кэш-память второго уровня, а «магазин» (где
доступны те же продукты) - в принципе более медленная системная память.
Большой кэш L2 значительно повышает общую
производительность многопроцессорных конфигураций в системах, работающих с
крупными массивами несопоставимых данных. По информации Intel, проведённые
корпорацией тесты ZD ServerBench показали почти пропорциональный рост
производительности системы по мере установки дополнительных процессоров с
мегабайтным кэшем.
Усовершенствованная архитектура Xeon, допускающая
36-разрядную адресацию физической памяти, теоретически позволяет процессору
получать доступ к системной памяти ёмкостью до 64 Гбайт. Новый механизм
постраничного обмена Page Size Extension - 36 останется практически
незаметной для глаз пользователя и разработчиков приложений. В настоящее время PSE-36 поддерживают
операционные системы Windows NT, SCO UnixWare и Sun
Solaris. Для
остальных операционных систем потребуется обновить драйвер блока управления
памятью.
Intel 450NX PCIset стал первым
микросхемным набором, оптимизированным
для Pentium II Xeon. Он выпускается в двух вариантах, Basic и Full,
соответственно для серверных hi-end и систем среднего уровня.
Они имеют одинаковую структуру ядра, но отличаются производительностью и ценой.
Basic PCIset поддерживает до двух
разъёмов 32-разрядной PCI, один - 64-разрядной и до 4 Гбайт
системной памяти типа EDO. Его более совершенный
«родственник» Full PCIset поддерживает до четырёх слотов типа EDO. Эти
чипсеты объединяет функционирование на 100-мегагерцовой частоте системной шины
и возможность поддержки многопроцессорных (до четырёх Xeon)
конфигураций.
64-разрядная шина PCI способна существенным образом повысить общую
производительность системы с учётом оптоволоконной технологии обмена данными с
дисковыми массивами, использования высокопроизводительных сетевых магистралей
на основе АТМ, Gigabit Ethernet и других. Повышается, по сути, синхронизация
мощности процессора и производительности подсистемы ввода-вывода.
Xeon, как я уже отмечал,
предназначен не только для серверов, но и для рабочих и графических станций,
для которых одним из важнейших параметров является производительность
видеоподсистемы. Для них разработан чипсет Intel
440GX AGPset на
базе известного микросхемного набора 440BX. 440GX управляет работой порта AGP в
режиме 2х. Режим удвоенной производительности реализуется благодаря так
называемой технологии двойной накачки - данные передаются как по переднему, так
и по заднему фронтам тактовых импульсов (у обычной AGP
- только по
переднему), при этом полоса пропускания достигает значения 533 Мбайт/с.
Физические параметры интерфейса AGP остаются прежними.
Ещё одой особенностью набора чипсета 440GX стала возможность обращения
к памяти ёмкостью до 2 Гбайт, что в два раза больше, чем у его приемника.
Несмотря на тот факт, что в настоящий
момент понятие многопроцессорности ассоциируется у Intel
лишь с четырьмя
устройствами на одной плате, ведутся работы по созданию симметричных
мультипроцессорных систем, поддерживающих до восьми «Ксеонов». Разработки
восьмиканального чипсета для Xeon ведутся фирмой Corollary, дочерней
компанией Intel. И, само собой, возможны кластерные решения, скажем,
на основе архитектуры распределённой памяти (NUMA). В обоих случаях, как
правило, не требуется «переписывать» прикладные программы (правда, операционная
система требует некоторой оптимизации). В процессорной шине чипсета Intel 450NX PCIset предусмотрен так называемый разъём кластерного соединения, что
упрощает построение кластерного соединения на основе стандартных
четырёхпроцессорных узлов.
Ещё одним перспективным направлением
является кластер с передачей сообщений. Суть её состоит в отсутствии разделения
ресурсов. Отдельно стоящие узлы кластера обмениваются данными, например,
тактовыми импульсами, сигнализирующими о нормальном состоянии системы. И хотя LAN-соединение
остаётся работоспособным, существует необходимость в сети нового типа - так
называемой SAN (System area Network).
В завершении хотел бы
отметить, что некоторые ведущие западные производители (IBM, NCR, Dell) уже начали поставки систем на базе Xeon,
а на
презентации процессора в России компании Kraftway
и «Вист» также
представили свои новые серверные решения. Ориентировочные цены на Pentium Xeon составят 1124 долларов (L2 512 Кбайт) и 2836 долларов (L2 1 Мбайт)
при поставках от тысячи штук.
Несколько слов
о производительности.
До недавнишнего времени основной мерой производительности
микропроцессоров (да и компьютеров)
считалась их тактовая частота работы, и это было, вообще говоря,
справедливо. Однако по мере усложнения архитектуры микропроцессоров (RISC - ядро,
встроенная кэш-память, технология внутреннего умножения тактовой частоты)
данный параметр работы устройств, хотя и остаётся важным показателем их
производительности, уже не является определяющим. Именно этим можно объяснить,
например, тот факт, что микропроцессор i486SX-25
производительнее
i386DX-33.
В 1992 году фирма Intel
предложила
индекс для оценки производительности своих микропроцессоров - iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Сам индекс представляет из
себя число, которое отражает относительную производительность данного
устройства по сравнению с другими микросхема семейства х86 и Pentium.
Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100.
Заметим, что новый индекс не заменяет известные тестовые программы (benchmark) уже
хотя бы потому, что измеряет относительную производительность микропроцессора,
а не системы в целом. Кстати говоря, при вычислении индекса iCOMP учитываются
операции со следующими «взвешенными» компонентами (числами): 16-разрядные целые
(67%),16-разрядные действительные (3%), 32-разрядные целые (25%), 32-разрядные
действительные (5%). К слову, именно величина производительности с индексом iCOMP использовалась
фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium, например 735\90 и 815\100
для тактовой частоты 90 и 100 МГц.
Следует, однако, учитывать, что в реальных системах может наблюдаться другое
соотношение производительности процессоров. Связанно это как с особенностями
конкретных системных плат, так и, в случае с Pentium, с тем, что для достижения
максимальной производительности требуется оптимизация программных кодов.
Список
литературы:
1.
А.Борзенко. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация.-Москва.: «Компьютер Пресс»,
1996.-344 с.
2.
К.Ахметов, А.Борзенко.
Современный персональный компьютер.-Москва.: «Компьютер Пресс», 1995.-317 с.
3.
Компьютер Пресс №8 1998г. В.Богданов. Новые процессор Xeon.:
с.193-195.
4. Компьютерра // Москва ООО"Пресса" 1997 - 1998 г.
5.
Компьютер Пресс // Москва «Компьютер Пресс» 1997 г.- 1998 г.
Основные компоненты эвм внешние устройства процессор память системная шина. Реферат на тему серверные программные обеспечения компьютеров.
|
