Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Первоначальный микропроцессор Pentium был представлен Intel 22 марта 1993 года. [2] [3] Как прямое расширение архитектуры 80486 , это была первая суперскалярная микроархитектура x86, включающая двойные целочисленные конвейеры , более быстрый блок с плавающей запятой , более широкий шина данных , отдельные кеши кода и данных, а также функции для дальнейшего сокращения задержки вычисления адреса .

Считается пятым основным поколением в 8086-совместимой линейке процессоров, его реализация и микроархитектура получили название P5 . Набор инструкций чаще назывался i586 (очень близок к i486 и i386 , с добавлением лишь нескольких специализированных инструкций).

В октябре 1996 года был представлен аналогичный Pentium MMX [4] , дополняющий ту же базовую микроархитектуру набором инструкций MMX , большими кешами и некоторыми другими улучшениями.

Изображение кристалла Intel Pentium A80501 66 МГц SX950

Среди конкурентов были семейства Motorola 68040 , Motorola 68060 , PowerPC 601 , SPARC , MIPS , Alpha , в большинстве из которых когда-то использовалась суперскалярная конфигурация конвейера с двумя инструкциями в порядке очереди.

Intel прекратила выпуск процессоров P5 Pentium (продаваемых как более дешевый продукт с Pentium II 1997 года) в начале 2000 года в пользу процессора Celeron , который также заменил марку 80486 . [1]

Развитие [ править ]

Микроархитектура P5 была разработана той же командой из Санта-Клары, которая разработала 386 и 486. [5] Работа над дизайном началась в 1989 году; [6] команда решила использовать суперскалярную архитектуру с кешем на кристалле, с плавающей запятой и предсказанием переходов. Предварительный проект был впервые успешно смоделирован в 1990 году, после чего последовала макетирование проекта. К этому времени в команде было несколько десятков инженеров. Дизайн был заклеен или перенесен на кремний в апреле 1992 года, после чего началось бета-тестирование. [7] К середине 1992 года в команде P5 было 200 инженеров. [8] Intel сначала планировала продемонстрировать P5 в июне 1992 года на выставке PC Expo., и официально объявить о процессоре в сентябре 1992 г. [9], но проблемы с дизайном вынудили отменить демонстрацию, а официальное внедрение чипа было отложено до весны 1993 г. [10] [11]

Джон Х. Кроуфорд , главный архитектор оригинальной модели 386, руководил проектированием P5 [12] вместе с Дональдом Альпертом, который руководил архитектурной командой. Дрор Авнон руководил проектированием FPU. [13] Винод К. Дхам был генеральным менеджером группы P5. [14]

В проекте многоядерной архитектуры Intel Larrabee используется ядро ​​процессора, полученное из ядра P5 (P54C), дополненное многопоточностью , 64-битными инструкциями и 16- разрядным векторным процессором . [15] Микроархитектура Bonnell с низким энергопотреблением Intel, использованная в первых ядрах процессоров Atom , также использует упорядоченный двойной конвейер, аналогичный P5. [16]

Основные улучшения по сравнению с микроархитектурой 80486 [ править ]

Микроархитектура P5 имеет несколько важных улучшений по сравнению с предыдущей архитектурой i486.

  • Производительность :
    • Суперскалярная архитектура - Pentium имеет два канала данных (конвейеров), которые во многих случаях позволяют ему выполнять две инструкции за такт. Основной канал (U) может обрабатывать любые инструкции, а другой (V) может обрабатывать наиболее распространенные простые инструкции. Некоторые [ кто? ] Сторонники RISC утверждали, что «сложный» набор инструкций x86, вероятно, никогда не будет реализован с помощью жестко конвейерной микроархитектуры , не говоря уже о конструкции с двумя конвейерами. 486 и Pentium продемонстрировали, что это действительно возможно и осуществимо.
    • 64-битная внешняя шина данных удваивает объем информации, доступной для чтения или записи при каждом обращении к памяти, и, следовательно, позволяет Pentium загружать свой кэш кода быстрее, чем 80486; он также обеспечивает более быстрый доступ и хранение 64-битных и 80-битных данных FPU x87 .
    • Разделение кешей кода и данных уменьшает конфликты выборки и чтения / записи операндов по сравнению с 486. Для сокращения времени доступа и затрат на реализацию оба они являются двухсторонними ассоциативными , вместо единого четырехстороннего кеша 486. A Связанное усовершенствование Pentium - это возможность читать непрерывный блок из кэша кода, даже когда он разделен между двумя строками кэша (по крайней мере, 17 байтов в худшем случае).
    • Гораздо более быстрый модуль с плавающей запятой . Некоторые инструкции показали огромное улучшение, в первую очередь FMUL, с пропускной способностью до 15 раз выше, чем в 80486 FPU. Pentium также может выполнять инструкцию FXCH ST (x) параллельно с обычной (арифметической или загрузкой / сохранением) инструкцией FPU.
    • Сумматоры адресов с четырьмя входами позволяют Pentium еще больше сократить задержку вычисления адреса по сравнению с 80486. Pentium может вычислять режимы полной адресации с базовым сегментом + базовым регистром + масштабируемым регистром + немедленным смещением за один цикл; 486 имеет только сумматор адресов с тремя входами и, следовательно, должен разделять такие вычисления между двумя циклами.
    • Микрокода может использовать как трубопроводы для включения автоматического повторения инструкции , такие как REP MOVSW выполнения одной итерации каждый такт, в то время как 80486 требуется трех часов на итерацию (и самых ранних х86 значительно больше , чем 486). Кроме того, оптимизация доступа к первым словам микрокода на этапах декодирования помогает значительно ускорить выполнение нескольких частых инструкций, особенно в их наиболее распространенных формах и в типичных случаях. Вот некоторые примеры (486 → Pentium, в тактах): CALL (3 → 1), RET (5 → 2), сдвиг / поворот (2–3 → 1).
    • Более быстрый, полностью аппаратный умножитель делает такие инструкции, как MUL и IMUL, в несколько раз быстрее (и более предсказуемыми), чем в 80486; время выполнения сокращено с 13–42 тактов до 10–11 для 32-битных операндов.
    • Виртуализированное прерывание для ускорения виртуального режима 8086 .
  • Прочие особенности :
    • Расширенные функции отладки с введением порта отладки на базе процессора (см. Отладка процессора Pentium в Руководстве разработчика, том 1).
    • Расширенные функции самопроверки, такие как проверка четности кэша L1 (см. Структура кэша в Руководстве разработчика, том 1).
    • Новые инструкции: CPUID, CMPXCHG8B, RDTSC, RDMSR, WRMSR, RSM.
    • Исключены тестовые регистры TR0 – TR7 и инструкции MOV для доступа к ним.
  • Более поздний Pentium MMX также добавил набор инструкций MMX , базовое целочисленное расширение набора инструкций SIMD, продаваемое для использования в мультимедийных приложениях. MMX нельзя было использовать одновременно с инструкциями x87 FPU, потому что регистры использовались повторно (чтобы обеспечить быстрое переключение контекста). Более важными улучшениями были удвоение размеров кэша инструкций и данных, а также несколько изменений в микроархитектуре для повышения производительности.

Pentium был разработан для выполнения более 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS) [17], а модель 75 МГц смогла достичь 126,5 MIPS в некоторых тестах. [18] Архитектура Pentium, как правило, обеспечивала почти вдвое большую производительность процессора 486 за такт в обычных тестах. Самые быстрые компоненты 80486 (с немного улучшенной микроархитектурой и работой на 100 МГц) были почти такими же мощными, как Pentium первого поколения, а AMD Am5x86 примерно равнялся Pentium 75 по чистой производительности ALU.

Исправление [ править ]

В ранних версиях Pentium P5 с частотой 60–100 МГц была проблема с блоком с плавающей запятой, которая приводила к неверным (но предсказуемым) результатам некоторых операций деления. Этот недостаток, обнаруженный в 1994 году профессором Томасом Найсли из Линчбургского колледжа, штат Вирджиния, стал широко известен как ошибка Pentium FDIV и вызвал затруднения у Intel, которая создала программу обмена для замены неисправных процессоров.

В 1997 году была обнаружена еще одна ошибка, которая могла позволить вредоносной программе вывести систему из строя без каких-либо специальных привилегий, « ошибка F00F ». Были затронуты все процессоры серии P5, и никаких фиксированных степпингов не было выпущено, однако современные операционные системы были исправлены с обходными путями для предотвращения сбоев.

Ядра и степпинги [ править ]

Pentium был основным микропроцессором Intel для персональных компьютеров в середине 1990-х годов. Первоначальный дизайн был воплощен в новых процессах, и были добавлены новые функции для поддержания его конкурентоспособности, а также для работы с конкретными рынками, такими как портативные компьютеры. В результате появилось несколько вариантов микроархитектуры P5.

P5 [ править ]

Микроархитектура Intel Pentium

Первое ядро ​​микропроцессора Pentium носило кодовое название «P5». Код продукта был 80501 (80500 для самых ранних степпингов Q0399). Было две версии, предназначенные для работы на частотах 60 МГц и 66 МГц соответственно, с использованием Socket 4 . Эта первая реализация Pentium использовала традиционный 5-вольтовый источник питания (происходящий от обычных требований совместимости логики TTL ). Он содержал 3,1 миллиона транзисторов и имел размеры 16,7 на 17,6 мм на площади 293,92 мм 2 . [19] Он был изготовлен с использованием процесса BiCMOS 0,8 мкм . [20] 5-вольтовая конструкция привела к относительно высокому потреблению энергии на его рабочей частоте по сравнению с последующими моделями.

P54C [ править ]

Снимок экрана Intel Pentium P54C

За P5 в 1994 году последовал P54C (80502), с версиями, предназначенными для работы на частоте 75, 90 или 100 МГц с использованием источника питания 3,3 В. Обозначая переход на Socket 5 , это был первый процессор Pentium, работавший при напряжении 3,3 В, что уменьшало потребление энергии, но требовало регулирования напряжения на материнских платах. Как и в случае с процессорами 486 с более высокой тактовой частотой, с этого момента использовался внутренний умножитель тактовой частоты, чтобы позволить внутренней схеме работать на более высокой частоте, чем внешний адрес и шины данных, поскольку увеличение внешней частоты является более сложным и обременительным из-за физические ограничения. Он также допускал двустороннюю многопроцессорную обработку и имел встроенный локальный APIC, а также новые функции управления питанием. Он содержал 3,3 миллиона транзисторов и имел размер 163 мм.2 . [21] Он был изготовлен с использованием процесса BiCMOS, который был описан как 0,5 мкм и 0,6 мкм из-за различных определений. [21]

P54CQS [ править ]

За P54C в начале 1995 года последовала P54CQS, работавшая на частоте 120 МГц. Он был изготовлен по технологии BiCMOS с размером частиц 0,35 мкм и стал первым коммерческим микропроцессором, который был изготовлен по технологии 0,35 мкм. [21] Количество транзисторов такое же, как и в P54C, и, несмотря на более новый процесс, площадь кристалла у него такая же. Микросхема была подключена к корпусу с помощью проводного соединения , которое допускает соединения только по краям микросхемы. Микросхема меньшего размера потребовала бы изменения конструкции корпуса, так как существует ограничение на длину проводов, а края микросхемы будут дальше от контактных площадок на корпусе. Решение заключалось в том, чтобы сохранить чип того же размера, сохранив существующее кольцо-прокладку., и только уменьшите размер логической схемы Pentium, чтобы позволить ему достичь более высоких тактовых частот. [21]

P54CS [ править ]

За P54CQS быстро последовал P54CS, который работал на частотах 133, 150, 166 и 200 МГц, и представил Socket 7 . Он содержал 3,3 миллиона транзисторов, размером 90 мм 2 и был изготовлен по технологии BiCMOS 0,35 мкм с четырьмя уровнями соединения.

P24T [ править ]

P24T Pentium OverDrive для 486 систем был выпущен в 1995 году и был основан на версиях 3,3 В 0,6 мкм с тактовой частотой 63 или 83 МГц. Так как эти используемое гнездо 2 / 3 , некоторые модификации должны быть сделаны , чтобы компенсировать 32-битную шину данных и медленнее кэш L2 на плате 486 материнских плат. Поэтому они были оснащены кэш-памятью L1 32  КБ (вдвое больше, чем у процессоров Pentium до P55C).

P55C [ править ]

Логотип Pentium с расширением MMX (1993–1999)
Микроархитектура Intel Pentium MMX
Pentium MMX 166 МГц без крышки

P55C (или 80503) был разработан Центром исследований и разработок Intel в Хайфе, Израиль . Он продавался как Pentium с технологией MMX (обычно просто назывался Pentium MMX ); Хотя он был основан на ядре P5, он содержал новый набор из 57 инструкций «MMX», предназначенных для повышения производительности мультимедийных задач, таких как кодирование и декодирование цифровых мультимедийных данных. Линия Pentium MMX была представлена ​​22 октября 1996 г. и выпущена в январе 1997 г. [22]

Новые инструкции работали с новыми типами данных: 64-битными упакованными векторами из восьми 8-битных целых чисел, четырех 16-битных целых чисел, двух 32-битных целых чисел или одного 64-битного целого числа. Так, например, инструкция PADDUSB (упакованный насыщенный байт без знака) складывает два вектора, каждый из которых содержит восемь 8-битовых целых чисел без знака, поэлементно; каждое добавление, которое приведет к переполнению, насыщает , давая 255, максимальное значение без знака, которое может быть представлено в байте. Эти довольно специализированные инструкции обычно требуют специального кодирования программистом для их использования.

Другие изменения в ядре включают 6-ступенчатый конвейер (против 5 на P5) со стеком возврата (впервые сделано на Cyrix 6x86) и улучшенный параллелизм, улучшенный декодер команд, кэш данных L1 16 КБ + кэш команд L1 16 КБ с обоими 4 ассоциативность (по сравнению с 8 КБ данных / инструкций L1 с двусторонней передачей на P5), 4 буфера записи, которые теперь могут использоваться любым конвейером (по сравнению с одним, соответствующим каждому конвейеру на P5), и улучшенный предсказатель ветвления, взятый из Pentium Pro, [23] [24] с буфером на 512 записей (по сравнению с 256 на P5). [25]

Он содержал 4,5 миллиона транзисторов и имел площадь 140 мм 2 . Он был изготовлен по технологии CMOS 0,28 мкм с тем же шагом металла, что и предыдущий процесс BiCMOS 0,35 мкм, поэтому Intel описала его как «0,35 мкм» из-за аналогичной плотности транзисторов. [26] Процесс имеет четыре уровня взаимосвязи. [26]

Хотя P55C оставался совместимым с Socket 7 , требования к напряжению для питания чипа отличаются от стандартных спецификаций Socket 7. Большинство материнских плат, изготовленных для Socket 7 до введения стандарта P55C, не совместимы с двойной шиной напряжения, необходимой для правильной работы этого ЦП (напряжение ядра 2,9 В, напряжение ввода-вывода 3,3 В). Корпорация Intel решила эту проблему с помощью комплектов обновления OverDrive, в которых использовался переходник с собственным регулятором напряжения.

Тилламук [ править ]

Процессоры Pentium MMX для ноутбуков использовали «мобильный модуль», в котором находился центральный процессор. Этот модуль представлял собой печатную плату с непосредственно прикрепленным к ней процессором в меньшем форм-факторе. Модуль защелкивался на материнской плате ноутбука, и, как правило, был установлен радиатор, который контактировал с модулем. Однако с 0,25 мкм Tillamook Mobile Pentium MMX (названным в честь города в Орегоне ), модуль также содержал набор микросхем 430TX вместе с 512 КБ кэш-памяти SRAM системы .

Модели и варианты [ править ]

Конкуренты [ править ]

После представления Pentium такие конкуренты, как NexGen , [27] AMD, Cyrix и Texas Instruments объявили о Pentium-совместимых процессорах в 1994 году. [28] Журнал CIO назвал NexGen Nx586 первым Pentium-совместимым процессором, [29] в то время как Журнал PC Magazine назвал Cyrix 6x86 первым. За ними последовал AMD K5 , выпуск которого был отложен из-за трудностей проектирования. Позднее AMD купила NexGen, чтобы помочь в разработке AMD K6 , а Cyrix была куплена National Semiconductor . [30] Более поздние процессоры AMD и Intel сохраняют совместимость с оригинальным Pentium.

См. Также [ править ]

  • Список микроархитектур ЦП Intel
  • Список микропроцессоров Intel Pentium
  • COASt (Cache On A Stick), модули кэша L2 для Pentium
  • Архитектура набора инструкций IA-32 (ISA)
  • Контроллер кэш- памяти Intel 82497

Конкуренты [ править ]

  • AMD K5 , AMD K6
  • Cyrix 6x86
  • WinChip C6
  • NexGen Nx586
  • Подъем mP6

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Уведомление об изменении продукта № 777» (PDF) . Intel. 9 февраля 1999 года. Архивировано из оригинального (PDF) 27 января 2000 года . Проверено 14 октября 2019 года .
  2. ^ Просмотр процессоров в хронологическом порядке по дате внедрения , Intel , получено 14 августа 2007 г.
  3. ^ Intel Pentium Processor Family , Intel , извлекаться Август 14, 2 007
  4. ^ или более формально Pentium с технологией MMX
  5. ^ стр. 1, Pentium Chronicles: The People, Passion, and Politics Behind Intel Landmark Chips , Роберт П. Колвелл, Wiley, 2006, ISBN 978-0-471-73617-2 . 
  6. ^ стр. 88, "Inside Intel", Business Week , № 3268, 1 июня 1992 г.
  7. ^ "Новая горячая звезда микрочипов" , Моника Хортен, New Scientist , # 1871, стр. 31 и далее, 1 мая 1993 г. Доступно в сети 9 июня 2009 г.
  8. ^ стр. 89, "Inside Intel", Business Week , № 3268, 1 июня 1992 г.
  9. ^ стр. 8, «Intel предлагает взглянуть на свой чип« 586 »», Том Куинлан, InfoWorld , 16 марта 1992 г.
  10. ^ стр. 1, «Проблемы дизайна вынуждают Intel отменить демонстрацию чипов 586», Том Куинлан и Кейт Коркоран, InfoWorld 14 , № 24, 15 июня 1992 г.
  11. ^ pp. 1, 103, "Задержка чипа P5 не изменит планы конкурентов", Том Куинлан, InfoWorld 14 , # 30, 27 июля 1992 г.
  12. ^ стр. 54, «Intel исполняется 35 лет: что теперь?», Дэвид Л. Маргулиус, InfoWorld , 21 июля 2003 г., ISSN 0199-6649.
  13. ^ стр. 21, " Архитектура микропроцессора Pentium ", Д. и Д. Альперт Avnon, IEEE Micro , 13 , № 3 (июнь 1993 г.), стр 11-21,. DOI : 10,1109 / 40,216745 .
  14. ^ стр. 90, "Inside Intel", Business Week , № 3268, 1 июня 1992 г.
  15. ^ § 3 Зайлера, L .; Cavin, D .; Espasa, E .; Grochowski, T .; Juan, M .; Hanrahan, P .; Carmean, S .; Sprangle, A .; Forsyth, J .; Abrash, R .; Dubey, R .; Junkins, E .; Озеро, Т .; Сугерман, П. (август 2008 г.). «Larrabee: многоядерная архитектура x86 для визуальных вычислений» (PDF) . Транзакции ACM на графике . Труды ACM SIGGRAPH 2008. 27 (3): 18:11. DOI : 10.1145 / 1360612.1360617 . ISSN 0730-0301 . S2CID 52799248 . Проверено 6 августа 2008 года .   
  16. Ананд Лал Шимпи (27 января 2010 г.), Почему Pine Trail не намного быстрее, чем первый атом , получено 4 августа 2010 г.
  17. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала 28 июля 2007 года . Проверено 14 сентября 2007 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  18. ^ http://www.islandnet.com/~kpolsson/micropro/proc1994.htm
  19. Кейс, Брайан (29 марта 1993 г.). «Intel раскрывает подробности реализации Pentium». Отчет микропроцессора .
  20. ^ Процессор Intel Pentium (510 \ 60, 567 \ 66). Ноя 1994
  21. ^ a b c d Гвеннап, Линли (27 марта 1995 г.). «Pentium - первый процессор, достигший 0,35 микрона». Отчет микропроцессора .
  22. ^ New Chip умоляет Новые вопросы , CNet , извлекаемый Февраль 6, +2009
  23. ^ «Руководство по оптимизации архитектуры Intel» (PDF) . 1997. С. 2–16 . Проверено 1 сентября 2017 года .
  24. ^ "Книга аппаратного обеспечения ПК Фила Сторрса" . Проверено 1 сентября 2017 года .
  25. ^ "ПРОЦЕССОР PENTIUM С ТЕХНОЛОГИЕЙ MMX ™" (PDF) . 1997 . Проверено 1 сентября 2017 года .
  26. ^ a b Слейтер, Майкл (5 марта 1996 г.). «Раскрыт долгожданный Intel P55C». Отчет микропроцессора .
  27. ^ Коркоран, Кейт; Кротерс, Брук (11 июля 1994 г.). «NexGen побьет цены на чипы Intel» . InfoWorld . IDG : 5.
  28. Барр, Кристофер (11 января 1994 г.). «Убийцы Pentium» . Журнал ПК . Зифф Дэвис . 13 (1): 29.
  29. Эдвардс, Джон (15 июня 1995 г.). «В чипсах» . Журнал CIO . IDG . 8 (17): 72–76.
  30. Перейти ↑ Slater, Michael (23 сентября 1997 г.). «ЦП для вашего следующего ПК» . Журнал ПК . Зифф Дэвис . 16 (16): 130–133.

Внешние ссылки [ править ]

  • CPU-Collection.de - изображения и описания Intel Pentium
  • Идентификация процессора Intel Plasma Online
  • Проект Pentium Timeline Project Pentium Timeline Project отображает самый старый и самый молодой чип из всех известных S-spec. Данные отображаются на интерактивной временной шкале.

Таблицы данных Intel [ править ]

  • Pentium (P5)
  • Pentium (P54)
  • Pentium MMX (P55C)
  • Мобильный Pentium MMX (P55C)
  • Мобильный Pentium MMX (Tillamook)

Руководства Intel [ править ]

В этих руководствах содержится обзор процессора Pentium и его функций:

  • Руководство разработчика семейства процессоров Pentium Процессор Pentium (том 1) (номер для заказа Intel 241428)
  • Руководство разработчика процессоров Pentium, том 2: Справочник по набору инструкций (номер для заказа Intel 243191)
  • Руководство разработчика семейства процессоров Pentium Том 3: Руководство по архитектуре и программированию (номер для заказа Intel 241430)