Реферат: Процессоры

Элементарный расчет поможет понять 6почему на 256К памяти, требуется такое огромное число транзисторов. Это статическое ОЗУ, которое в отличие от динамического, имеющего всего один транзистор на бит хранения и периодически регенерируемого, использует для хра­нения бита ячейку из шести транзисторов:

256 x 1024 х 8 бит х 6 пр – ров  = 12.5 млн. транзисторов. С учетом буферов и обвязки накопителя как раз и выйдет 15.5 миллионов.

Площадь процессорного кристалла равна 306 кв. мм. (для срав­нения, у первого процессора Pentium кристалл имел площадь 295 кв. мм). Кристалл статической памяти, как всякая регулярная структура, упакован намного плотнее - 202 кв. мм. Только Pentium Pro 150 MHz изготавливается по 0.6-микронной технологии. Все остальные версии нового процессора изготавливаются по 0.35-микронной BiCMOS-технологии с четырехслойной металлизацией.

Почему компания Intel пошла на двухкристалльный корпус, объединив ядро ЦПУ с вторичным КЭШем? Во – первых комбинированный кор­пус значительно упростил изготовителям ПК разработку высокопроизво­дительных систем на процессоре Pentium Pro.

Одна из главных проблем при проектировании компьютера на быстром процессоре связана с точным согласованием с процессором вто­ричного КЭШа по его размеру и конфигурации. Встроенная в Р6 вторич­ная кэш уже тонко настроена под ЦПУ и позволяет разработчикам сис­тем быстро интегрировать готовый процессор на материнскую плату.

Во-вторых, вторичная кэш тесно связана с ядром ЦПУ с по­мощью выделенной шины шириной 64 бита, работающей на одинаковой с ним частоте. Если ядро синхронизируется частотой 150 МГц, то кэш должна работать на частоте 150 МГц.

Поскольку в процессоре Pentium Pro есть выделенная шина для вторичного КЭШа, это решает сразу две проблемы: обеспечивается син­хронная работа двух устройств на полной скорости и отсутствие конку­ренции за шину с прочими операциями ввода-вывода. Отдельная шина L2, "задняя" шина полностью отделена от наружной, "передней" шины ввода-вывода, вот почему в P6 вторичная кэш не мешает своими цикла­ми операциям с ОЗУ и периферией. Передняя 64-битовая шина может ра­ботать с частотой, равной половине, трети или четверти скорости яд­ра Pentium Pro. "Задняя" шина продолжает работать независимо, на полной скорости.

Такая реализация представляет серьезный шаг вперед по срав­нению с организацией шины процессора pentium и других процессоров х86. Только NexGen приближенно напоминает такую схему. Хотя в про­цессоре Nx586 нет КЭШа L2, зато встроен ее контроллер и полноскорос­тная шина для связи с внешней кэш-памятью. Подобно Р6, процессор Nx586 общается с основной памятью и периферийными подсистемами по­верх отдельной шины ввода-вывода, работающей на деленной частоте.

В экзотическом процессором Alpha 21164 компания Digital пош­ла еще дальше, интегрировав прямо на кристалле в дополнение к пер­вичной кэш-памяти еще и 96 Кбайт вторичной. За счет вздувания площа­ди кристалла достигнута беспрецедентная производительность кэширова­ния. Транзисторный бюджет Альфы составляет 9.3 миллиона транзисто­ров, большая часть которого образована массивом памяти.

Есть одна незадача: необычный дизайн Pentium Pro, пожалуй, затруднит экспертам задачку вычисления соотношения цены и производи­тельности. Интегрированная в процессор кэш вроде как скрыта с глаз. Pentium Pro сможет показаться более дорогим, чем его конкуренты, но для создания компьютера на других процессорах потребуется внешний набор микросхем памяти и кэш-контроллер. Эффективный дизайн кэш-структуры означает, что другим процессорам, претендующим на со­поставимую производительность, потребуется кэш-памяти больше, чем 256 Кбайт.

Уникальный корпус предоставляет свободу созданию новых ва­риантов процессора. В будущем возможно как повышение объема кэш-па­мяти, так и ее отделение ее от процессора в соответствии с тради­ционным подходом. Если последний вариант появится, он окажется, не­совместим по внешним выводам с двухкристалльным базовым корпусом, так как ему необходимо добавить 72 дополнительных вывода (64-для "задней" шины и 8 для контроля ошибок). Hо он будет почти таким же быстрым, если будет широко доступна статическая память с пакетным режимом. По мнению инженеров Intel, подключение внешних микросхем памяти к "передней" шине Pentium Pro с целью реализации кэш-памяти третьего уровня, вряд ли оправдано. Отправной точкой для такой убеж­денности служат результаты натурного моделирования прототипа систе­мы, которая в следствии высокой эффективности интерфейса кэш L2-про­цессор, практически до теоретического предела загружает вычисли­тельные ресурсы ядра. Процессор Alpha 21164, напротив, спроектиро­ван с учетом необходимости кэш L3.

3.10.3. Значения тестов для некоторых чипов фирмы Intel.

Processor Benchmarks	Intel Pentium Pro Processor (200MHz)	Intel Pentium Pro Processor (180MHz)	Intel Pentium Pro Processor (166MHz) w/512K L2	Intel Pentium Pro Processor (150MHz)	Intel Pentium Processor (133MHz)
UNIX
SPEC95 SPECint95 SPECint_base95 SPECfp95 SPECfp_base95	8.09 8.09 6.75 5.99	7.29 7.29 6.08 5.40	7.11 7.11 6.21 5.47	6.08 6.08 5.42 4.76	4.14 4.14 3.12 2.48
SPEC92 SPECint92 SPECint_base92 SPECfp92 SPECfp_base92	366.0 336.7 283.2 234.3	327.4 3.5.8 254.6 210.4	327.1 306.6 261.3 209.6	276.3 258.3 220.0 182.0	190.9 175.9 120.6 107.3
Windows
Norton System Index SI32	86.7	77.6	Not tested	67.0	34.2
Ziff-Davis CPUmark32	541	466	Not tested	412	278

4. Процессоры конкурентов Intel.

4.1. Первые процессоры конкурентов Intel.

Intel была не единственной фирмой - производителем микропро­цессоров: существовали еще MOS Technologies, Mostek, Motorola, Rockwell, Standart Microsystems Corporation, Synertek, Texas Instruments. Одни из них использовали свои собственные проекты чи­пов, другие - лицензионные проекты своих конкурентов. Успешнее всех в конце 70-х работала фирма Zilog. Она создала чип Z80.

В то время, когда компьютеры, работающие под управлением СР/М, распространились в офисах, компьютеры Apple II буквально вор­вались в школы. Фирма Apple в качестве основного компонента своего компьютера выбрала чип фирмы MOS Technologies 6502. Это был лицен­зионный чип фирмы Rockwell and Synertek. Apple начала использовать процессоры Motorola во всех своих компьютерах Macintosh. Разработки фирм Intel и Motorola появились почти одновременно, но объединяет их не только это. Микропроцессоры Intel 80486 и Motorola 68040, напри­мер, почти одинаковы по сложности и имеют функциональные сходные возможности. Тем не менее, они совершенно несовместимы. Именно поэ­тому на Macintosh и PC не могут выполняться одни и те же программы.

Существует принципиальное отличие в эволюционном развитии этих двух семейств микропроцессоров. Intel начала с довольно незна­чительного по нашим современным меркам адресного пространства в 1 Мбайт и постоянно наращивала его до нынешнего размера в 4 Гбайт. Motorola в своей серии 680x0 всегда имела адресное пространство в 4 Гбайт. IBM поместила чипы ROM в адресное пространство своих PC как можно выше. И не ее ошибка была в том, что позже Intel достроила "второй этаж" и таким образом оставила ROM в конструкциях IBM где-то посередине, открыв дорогу использованию RAM, что само по себе, мо­жет быть, и не плохо. Разработчики семейства чипов 680х0 никогда не испытывали подобных неудобств, и поэтому очень много программистов считают, что Mac лучше.

Intel приложила значительные усилия, пытаясь стандартизо­вать производство ее процессоров 8086 и 8088 на предприятиях-подряд­чиках. Hесколько предприятий приняло такие соглашения. Однако Haris выпустил свои чипы - аналоги 8086 и 8088, которые менее всего удов­летворяли этим принятым соглашениям. Он использовал технологию CMOS, значительно сокращающую потребление электроэнергии, и это свойство сделало его чипы очень популярными, особенно среди производителей ПК с экранами на жидких кристаллах.

Фирма NEC предложила свою так называемую V-серию чипов и объявила, что чип V20 является конструктивно совместимым с чипом Intel 8088, но имеет усовершенствованный набор инструкций, включая при этом и инструкции чипа 8080. Это означало, что он мог легко вы­полнять программы, написанные для CP/M, без их модификации, ис­пользуя эмулятор программ, и при этом включать преимущества инструк­ций 8080, содержащихся в чипе V20. Их чип V30 был аналогом 8086 с включенными дополнительными возможностями.

Чипы V-серии фирмы NEC также работали немного быстрее анало­гичных чипов фирмы Intel. Эти чипы имели некоторый успех, чем была раздосадована Intel. Последняя подала в суд на NEC по факту наруше­ния закона о защите авторских прав. NEC подала ответный иск. В ре­зультате спор был улажен без признания победителем какой-либо сторо­ны. Интересными были детали этого судебного разбирательства. Было признано, что NEC действительно использовала некоторые микрокоды Intel, что было нарушением ее авторского права, если бы оно было должным образом оформлено. Hо поскольку Intel производила и продава­ла некоторые чипы 8088 без знака авторского права, то их претензии были признаны безосновательными. Компания Chips and Technology, ко­торая стала известна благодаря выпуску аналогов BIOS, в настоящее время внедрила линию по производству процессорных чипов. Hа ней вы­пускаются аналоги 386. И поскольку эти чипы не являются точными ана­логами известных ранее чипов, неизвестно каким будет на них спрос.

 

 

 

 

4.2. Процессоры фирмы AMD.

4.2.1. Судебное разбирательство с Intel.

Фирма AMD была лицензионным производителем Intel, производя­щей 80286. AMD объявила, что ее контракт с Intel позволяет им выпус­кать легализованные копии чипов 386. Intel категорически не согласи­лась с этим. AMD удалось выиграть это судебное разбирательство, и теперь она выпускает аналог чипа 386 с тактовой частотой 40 МГц. Этот чип имел определенный успех, в частности, из-за его более высо­кой скорости по сравнению с самым быстродействующим чипом серии Intel 386. При выпуске фирмой AMD аналогов 486 фирма Intel снова по­пыталась остановить конкурента. Однако и в этом случае закон был на стороне AMD.

4.2.2. Процессоры семейства AMD5k86.

Наладив в 1994 году массовое производство чипов 5-го поколе­ния - микропроцессоров Pentium, корпорация Intel мощно пошла в от­рыв. Интеллектуальная колоссальная мощь ее инженеров, помноженная на богатейшие производственные возможности, казалось, не оставляла ни­каких шансов конкурентам. между тем вдогонку за лидером бросилось сразу несколько преследователей. Среди них, пожалуй, именно компа­ния AMD имела самую "удачную" стартовую позицию. Компания Advanced Micro Devices занимала второе место в мире по производству микропро­цессоров. На сегодняшний день общее число чипов, выпущенных фирмой AMD, перевалило далеко за отметку 85 миллионов, что, согласитесь, само по себе говорит об огромном потенциале компании.

Цифра "5" для фирмы AMD была явно несчастливой. Intel Pentium все наращивал обороты: 66, 75, 90 Мгц... Тактовая частота новых моделей увеличивалась едва ли не каждый месяц. А разработчи­кам компании AMD, кроме названия - "K5", представлять было реши­тельно нечего. Ожидание становилось тягостным.

Гнетущее ощущение несбывшихся надежд скрасил выпуск процес­сора Am5x86. Нет, чип Am5x86 не был обещанным К5. Микропроцессор представлял собой "четверку" с большими возможностями, которые одна­ко, явно не дотягивали до "честного" Pentium. В прессе распространя­лись мнения специалистов, вроде: "Производительность, сравнимая с производительностью Pentium, позволяет отнести микропроцессор Am5x86 к устройствам пятого поколения".

А между тем, оставаясь по своей сути (по внутренней архитек­туре) до боли знакомым 486-м, чип Am5x86, имеющий тактовую частоту 133 МГц, мог соперничать на равных лишь со скромным по своим возмож­ностям процессором Pentium/75 МГц. Интересно, какой должна была бы быть тактовая частота Am5x86, чтобы показать производительность, сравнимую с Pentium/166 МГц!

Поэтому создание чипа пятого поколения у компании Advanced Micro Devices было еще впереди. При проектировании своих предыдущих процессоров компания опиралась на неизменную поддержку корпорации Intel. Но к началу разработки собственного процессора пятого поколе­ния срок действия лицензионных соглашений с корпорацией Intel подо­шел к концу. Так что инженерам AMD пришлось начать разработку, что называется, с чистого листа. В частности, вышла промашка при проек­тировании встроенного КЭШа команд. Наборы команд для процессоров разных поколений существенно отличаются. Инженеры-разработчики ком­пании AMD немного просчитались в оценке числа CISC-инструкций, имею­щих различную длину. В результате, не удавалось достичь проектируе­мого уровня производительности при исполнении программ, оптимизиро­ванных под процессор Pentium. Но спустя некоторое время и эта, и не­которые другие ошибки были устранены. И в конце марта 1996 года ком­пания AMD с гордостью объявила о появлении на свет нового процессо­ра пятого поколения - AMD5k86.

4.2.2.1 Экскурсия по внутренней архитектуре.

Процессор AMD5k86, известный на стадии разработки как AMD-K5 или Krypton, является первым членом суперскалярного семейства (Superscalar family) K86. Он соединяет в себе высокую производи­тельность и полную совместимость с операционной системой Microsoft Windows.

Суперскалярный RISC-процессор AMD5k86 выполнен по 0ю35-мик­ронной КМОП – технологии (complimentary metal – oxid semiconductor process) и состоит из 4.3 млн. транзисторов. Его дизайн базируется на богатой истории и обширном опыте архитектур RISC и х86.

По мнению многих специалистов, разработчики чипа AMD5k85 пошли значительно дальше первоначального замысла: создать процессор, имеющий RISC-ядро, и при этом совместимый с набором инструкций х86 означает совместимость с операционными системами Microsoft Windows и всем ПО, написанным под архитектуру х86. Столь счастливое сочетание высочайшей производительности и полной совместимости с Microsoft Windows делает чип AMD5k86 полноправным членом 5-го поколения мик­ропроцессоров.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9