Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

391

тью и средства ее защиты открывали широкие возможности ис-

пользования МП в многозадачных средах. Кроме того, аппаратура

i80286 обеспечивала работу с виртуальной памятью объемом до 1

Гбайт. Для поддержки устройства управления памятью система

команд пополнилась еще 16 инструкциями.

Новый ЦП имел два режима работы - реальный и защищен-

ный. В первом случае он воспринимался

как быстрый ЦП i8086 с

несколько расширенной системой команд и прекрасно подходил

тем потребителям, для которых, помимо скоростных характери-

стик, жизненно важным было сохранение существующего задела

ПО. Работа в защищенном режиме позволяла использовать пре-

имущества прибора в полном объеме, и прежде всего - большой

объем основной памяти. Этими качествами решила воспользовать-

ся IBM, применив

процессор в новой модели ПК типа AT, что с

неимоверной скоростью превратило i80286 в бестселлер рынка 16-

разрядных систем. Как видим, очередной передел этого сектора,

начавшийся в 1982 г., компания встретила во всеоружии. Помимо

286-го, в арсенале Intel были еще две модели процессоров i80186 и

i80188 - модифицированные варианты микросхем i8086 и i8088

соответственно.

Достигнутые в технологии успехи позволили

разработчи-

кам разместить на кристалле контроллеры прерываний и ПДП, а

также таймер и системный генератор. Таким образом, покупателю

были предложены мощные однокристальные ЭВМ, с помощью ко-

торых можно было реализовать законченную систему с числом ИС

не более десяти. Уже в первый год после начала поставок количе-

ство проданных чипов i80186 превысило в

30 раз аналогичный по-

казатель для i8086.

Спрос на i80286 также требовал постоянного увеличения

объемов его производства. Длина слова - 32 разряда Использова-

ние корпорацией IBM микропроцессоров i80286 в новой модели

персонального компьютера IBM PC/AT и стремительный рост

объемов ее продаж стимулировали усилия специалистов Intel по

разработке прибора следующего поколения. Увеличение тактовой

частоты 286-го процессора сверх достигнутого предела в 16 МГц

давалось уже слишком дорого, а кроме того, никак не устраняло

узкого места системы, которым оставалась оперативная память.

392

Помимо прочего, 286-й решил далеко не все проблемы,

характерные для многозадачных сред. У инженеров Intel было два

пути кардинального повышения производительности процессора -

32-разрядная обработка данных и совершенствование тракта про-

цессор - память. Эффективное же функционирование МП под

управлением многозадачных ОС требовало усовершенствования

устройства управления памятью. Таким образом, специалисты

имели перед собой четкие

задачи, которые необходимо было ре-

шить. (Любопытно, что примерно в это же время в американской

прессе промелькнули сообщения о намерениях "Голубого гиганта"

приобрести крупный пакет акций Intel и даже приводились оценки

его размера, доходившие до 40%. Судя по всему, сделка не состоя-

лась, но сам факт появления подобного рода информации свиде-

тельствует о

достаточно тесных контактах обеих компаний. Не ис-

ключено, что корпорация IBM выступала в качестве заказчика

кристалла следующего поколения, а ее инженеры принимали не-

посредственное участие в формировании технических требований

на процессор.)

Первенец 32-разрядных систем i80386 был представлен 17

октября 1985 г. и имел все права на звание процессора для ЭВМ

общего назначения. Использование КМОП-

технологии с проект-

ными нормами 1 мкм и двумя уровнями металлизации позволило

разместить на кристалле 275 тыс. транзисторов и реализовать пол-

ностью 32-разрядную архитектуру ЦП (рис.4). 32 разряда адреса

обеспечили адресацию физической памяти объемом до 4 Гбайт и

виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Встроенная в МП сис-

тема управления памятью и защиты включала регистры преобра

зования адреса, механизмы защиты оперативной памяти и улуч-

шенные аппаратные средства поддержки многозадачных ОС. По-

мимо работы с виртуальной памятью допускались операции с па-

мятью, имевшей страничную организацию. Предварительная вы-

борка команд, буфер на 16 инструкций, конвейер команд и аппа-

ратная реализация функций преобразования адреса значительно

уменьшили среднее время выполнения команды.

Благодаря этим

архитектурным особенностям, процессор мог выполнять 3 - 4 млн

команд в секунду, что примерно в 6 - 8 раз превышало аналогич-

ный показатель для МП i8086. Безусловно, новый прибор остался

393

совместимым со своими предшественниками на уровне объект-

ных кодов. Одной из наиболее любопытных особенностей рас-

сматриваемой разработки компании было использование кэш-

памяти, позволившей существенно повысить производительность

систем на базе 386-го процессора (еще один атрибут универсаль-

ных машин, который стал применяться в микропроцессорных сис-

темах).

Для управления работой буфера Intel создала БИС

высоко-

производительного контроллера кэш-памяти типа i82385, с помо-

щью которой формировался двухвходовой множественный ассо-

циативный кэш. Указанная БИС обеспечивала управление буфе-

ром емкостью до 32 Кбайт и высокий коэффициент удачных об-

ращений. Поскольку степень интеграции была еще недостаточна

для реализации на том же кристалле и математического сопроцес-

сора, он по-прежнему выпускался

в виде отдельного кристалла

i80387, дополняя вычислительную мощь ЦП.

Особый интерес представляли три режима работы кристал-

ла - реальный, защищенный и режим виртуального МП i8086. В

первом обеспечивалась совместимость на уровне объектных кодов

с устройствами i8086 и i80286, работающими в реальном режиме.

При этом архитектура i80386 была почти идентична архитектуре

86-го процессора, для программиста же

он вообще представлялся

как ЦП i8086, выполняющий соответствующие программы с

большей скоростью и обладающий расширенными системой ко-

манд и регистрами. Благодаря этим качествам 32- разрядного про-

дукта компания сохранила прежних клиентов, которые хотели мо-

дернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося задела

в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изна-

чально требовалась

высокая скорость обработки информации.

Этот "двунаправленный" маркетинговый ход затронул как разра-

ботчиков и пользователей ПК, так и специалистов, занимающихся

сложными системами управления. Одно из основных ограничений

реального режима было связано с предельным объемом адресуе-

мой памяти, равным 1 Мбайт. От него свободен защищенный ре-

жим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архи-

тектуры

нового ЦП. Размер адресного пространства в этом случае

увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ - до

394

64 Тбайт. Производителям ПО это позволяло задействовать

достаточно гибкие методы разработки и создавать более крупные

программные пакеты.

Для конечных пользователей выполнение приложений, рас-

считанных на работу в реальном и защищенном режимах, проис-

ходило без каких-либо функциональных отличий, поскольку

управление обоими режимами базировалось на средствах ОС и

специальном прикладном ПО. Однако

системы защищенного ре-

жима обладали более высоким быстродействием и возможностями

организации истинной многозадачности. Наконец, режим вирту-

ального МП открывал возможность одновременного исполнения

ОС и прикладных программ, написанных для МП i8086, i80286 и

i80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором,

не ограничен значением 1 Мбайт, он позволял формировать не-

сколько виртуальных сред i8086. Немаловажно, что эти

среды

могли порождаться в одно и то же время, а механизм защищенного

режима обеспечивал ОС и ее прикладным задачам использование

различных областей памяти. Благодаря таким возможностям аппа-

ратуры, можно было вместо нескольких ЦП типа i8086 использо-

вать один процессор i80386, сохранив львиную долю имевшегося

ПО.

Примерно в этот же период IBM и Microsoft приступили к

разработке новой многозадачной ОС с графическим интерфейсом

пользователя. Архитектура кристалла, явно ориентированная на

многозадачные среды, заставляет предположить участие в форми-

ровании технических требований к первому 32-разрядному МП не

только IBM (о чем уже говорилось), но и Microsoft. И хотя впо-

следствии пути этих компаний разошлись (достаточно упомянуть

противостояние OS/2 и Windows), процессор одинаково успешно

работал с первыми версиями обеих систем. Стремление удовле-

творить запросы потребителей всех категорий привело руково-

дство Intel к идее повторить свой удачный опыт с процессором

i8088, выпустив вариант 386-го МП с 16- разрядной внешней ши-

ной данных (при сохранении внутренней 32-разрядной архитекту-

ры). Существующий прибор получил обозначение i80386SX и был

анонсирован 16 июня 1988 г., а

уже менее чем через полгода поль-

зователям были предложены первые ПК на его основе. Поскольку

395

эти модели стоили дешевле компьютеров с ЦП 80386DX, мно-

гие потребители вполне справедливо рассматривали их как на-

чальную ступень в применении вычислительной техники.

Так Intel создала еще один сектор рынка. В конце 80-х годов сте-

пень интеграции микросхем быстро приближалась к 1млн транзи-

сторов на кристалле, и некоторые специалисты шутили, что еще

неизвестно

, что же делать с такой БИС, а журнал "Electronics" в

одном из традиционных новогодних поздравлений пожелал Гор-

дону Муру вдохновения, чтобы придумать ей достойное примене-

ние.

Вдохновение не оставило президента Intel, и 10 апреля 1989

г. корпорация объявила о начале выпуска 32-разрядного прибора

второго поколения - i80486, ставшего после устройств i8080 и

i8086 еще одним долгожителем. Архитектура нового

ЦП (рис. 5)

отчасти напоминала строение своего предшественника, но вместе

с тем имела и ряд коренных отличий. 1,2 млн транзисторов позво-

лили разработчикам реализовать на кристалле не только кэш-

память, но и математический сопроцессор. Такое техническое ре-

шение свело к возможному минимуму число чипов на плате и са-

мым благоприятным образом сказалось

на стоимости готовых сис-

тем. В отличие от имевшегося в МП 80386 двухвходового множе-

ственного ассоциативного кэша в i80486 использовался более эф-

фективный четырехвходовой буфер, который, будучи размещен-

ным в чипе, мог работать на тактовой частоте процессора. Как и

предыдущий МП, новый прибор функционировал в трех режимах

и был ориентирован на многозадачные среды

. За счет интеграции

математического сопроцессора в БИС, а также модернизации его

архитектуры производительность на задачах вычислительного ха-

рактера возросла в 3 - 4 раза. Общая же производительность 486-го

превышала аналогичный параметр своего предшественника в 4 - 5

раз.

Блестящие характеристики процессора i80486 позволили

ему быстро завоевать симпатии производителей и пользователей,

и через два года модели ПК на

его базе полностью вытеснили из-

делия предыдущего поколения. В течение шести лет кристалл без-

раздельно господствовал на рынке. Институт "вторых поставщи-

ков", возникший еще в эпоху 8-разрядных систем, продолжал су-

396

ществовать, и изготовлением микросхем класса 486 занимались

такие гиганты электронной промышленности, как IBM, Texas

Instruments и AMD. На совершенствовании архитектуры кристал-

лов Intel родились и сделали имя Сyrix и NexGen. Конкуренты ока-

зались достаточно шустрыми и за ними требовался присмотр. По-

этому, даже приступив к проработкам процессора следующего по-

коления, компания не оставляла свое последнее творение без

вни-

мания.

Ровно через два года после выпуска i80486 появилась уп-

рощенная версия кристалла (без сопроцессора), получившая по да-

леко не очевидной аналогии с предшествующей моделью обозна-

чение i80486SX. Дальнейшее совершенствование пошло по пути

увеличения тактовой частоты: были представлены версии на 50,

66, 75 и 100 МГц. Разработку вариантов с более высокими такто-

выми частотами сочли

нецелесообразной, и компании-конкуренты

получили в этом отношении карт-бланш. Intel же была целиком

устремлена в будущее.

Pentium - пятое поколение микропроцессоров Стремитель-

ное усложнение программного обеспечения и постоянное расши-

рение сферы применения компьютеров настоятельно требовали

существенного роста вычислительной мощи центральных процес-

соров ПК. Ко всему прочему на пятки стали наступать и RISC-

процессоры.

Хотя в конце 80-х годов некоторые эксперты пред-

сказывали близкий конец кристаллов CISC, корпорация Intel впол-

не справедливо посчитала, что до этого еще далеко и в микропро-

цессорах использованы не все возможности CISC-архитектуры.

Кроме того, фирме вряд ли простили бы отказ от программной со-

вместимости с предшествующими моделями - стоимость накоп-

ленного системного и

прикладного ПО уже измерялась в миллиар-

дах долларов.

Как это случалось не раз, проработки нового процессора

начались, когда проект создания 486-го МП вступил в заключи-

тельную стадию (начало 1989 г.). Менеджером команды "архитек-

торов" кристалла следующего поколения был назначен Дональд

Альперт (Donald Alpert) из отделения микропроцессоров корпора-

ции Intel, а работы по проектированию арифметического

устрой-

ства с плавающей точкой возглавил Дрор Эвнон (Dror Avnon).

397

В основу продукта была положена суперскалярная архитектура

(еще один атрибут из мира мэйнфреймов), которая и дала возмож-

ность получить пятикратное повышение производительности по

сравнению с моделью 486DX.

Высокая скорость выполнения команд достигалась благо-

даря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно

исполнять несколько инструкций. Для постоянной загрузки обоих

конвейеров из кэша требуется широкая

полоса пропускания. Со-

вмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, и разра-

ботчики воспользовались решением из арсенала RISC-

процессоров, оснастив Pentium раздельными буферами команд и

данных. При этом обмен информацией с памятью через кэш дан-

ных осуществлялся совершенно независимо от процессорного яд-

ра, а буфер инструкций был связан с ним через

высокоскоростную

256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кри-

сталл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальны-

ми компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная

шина данных с максимальной пропускной способностью 528

Мбайт/с. Еще одной "изюминкой" архитектуры, позаимствованной

у представителей универсальных ЭВМ стала схема предсказания

переходов.

По оценкам специалистов компании

, это дополнительно

увеличило производительность ЦП на 20 - 25%. Обработка графи-

ческой информации, мультимедиа-приложения, а также все более

интенсивное использование ПК для решения задач вычислитель-

ного характера требуют высокой производительности при выпол-

нении операций с плавающей точкой. Скоростные характеристики

этого блока получены за счет применения конвейерной архитекту-

ры устройства (8-ступенчатый конвейер FPU позволил

выдавать

результаты каждый такт), а также благодаря аппаратной реализа-

ции (вместо традиционной микропрограммной) основных арифме-

тических операций. Сложение, умножение и деление выполнялись

раздельными высокопроизводительными блоками умножителя,

сложителя и делителя. Средства для работы с плавающей точкой

поддерживали стандарт IEEE 754 и операции с одинарной, двой-

ной и расширенной (80-битовый формат) точностью, а также на

бор базовых трансцендентных функций. В итоге по скорости вы-

398

полнения команд с плавающей точкой Pentium в пять - семь раз

превзошел процессор 486DX2/50 и почти на порядок - микросхему

486DX/33. Выход новинки на рынок был обставлен корпорацией в

ее лучших традициях (вспомним акцию Operation Crush), начиная

от мощной рекламной кампании и кончая присвоением процессору

собственного имени.

Предварительная информация о характеристиках этого ЦП,

которая, кстати, незначительно разошлась

с реальными парамет-

рами прибора, подогрела к нему интерес как поставщиков компь-

ютеров, так и пользователей. Пристальное внимание Intel тради-

ционно уделила тесному взаимодействию с разработчиками ПО,

которые получили спецификации процессора Pentium одними из

первых и очередные версии приложений проектировали уже с уче-

том возможностей кристалла. Таким образом, процессор вышел в

свет в

сопровождении почетного эскорта новых программных

продуктов.

Несмотря на ряд проблем, практически всегда возникаю-

щих при выпуске новых изделий, Pentium завоевал популярность и

начал быстро теснить на рынке своего предшественника. Этому

способствовала и политика самой компании, которая, стремясь

обеспечить ускоренный переход потребителей на Pentium, вскоре

прекратила работы по совершенствованию микросхем i80486 и

даже начала

сворачивать их производство, что, кстати, вызвало не-

скрываемое раздражение некоторых крупных потребителей про-

дукции Intel, в частности Compaq. Ко всему прочему, теперь Intel

уже никому не хотела продавать свое ноу-хау и институт вторых

поставщиков приказал долго жить. С одной стороны, необходимо-

сти в утверждении архитектуры, и без того давно ставшей миро-

вым стандартом

, более не было, а производственные мощности

корпорации стали вполне достаточны для удовлетворения спроса

на ее изделия; с другой - создание Pentium оказалось настолько

дорогим удовольствием (по разным оценкам, Intel вложила в этот

проект 4 - 6 млрд дол.), что отдавать даже малую часть рынка ста-

новилось довольно рискованным. Хотя объемы продаж систем на

базе нового ЦП

росли буквально не по дням, а по часам (в 1994 г.

их было продано 5,5 млн, а в 1995 г. - уже 18,4 млн), почивать на

399

лаврах компания не собиралась и постоянно улучшала рабочие

характеристики чипов за счет увеличения тактовой частоты.

Начав в 1993 г. с отметки в 60 МГц и быстро миновав про-

межуточные барьеры в 66; 75; 90; 100; 120; 133 и 166 МГц, в этом

году Intel довела тактовую частоту Pentium II - представитель вто-

рого поколения семейства P6. Помимо того что он дополнен

MMX-командами, этот кристалл

содержит в два раза большую

кэш-память по сравнению с Pentium Pro - по 16 Кбайт (вместо

восьми) для команд и данных - и взаимодействует с кэшем L2 не

на свой полный тактовой, а на вдвое меньшей частоте.

Pentium II размещается не в двухотсековом керамическом

корпусе вместе со специализированным кэшем L2, а представляет

собой традиционную однокристальную конструкцию, в которой

предусмотрены отдельные соединения с системной шиной и ин-

терфейс кэша L2. Однако Intel не продает этот кристалл сам по се-

бе; процессор устанавливается на небольшой печатной плате вме-

сте с кэшем L2, построенном на кристаллах памяти SRAM. Затем

эта сборка, которую Intel называет картриджем SEC (Single Edge

Contact - с односторонним расположением контактов), помещается

в корпус из пластмассы и металла.

Именно эта конструкция Intel

носит название Pentium II.

Интерфейс кэша L2 процессора Pentium II имеет в два раза

меньшую скорость, чем у кэша Pentium Pro, что компенсируется

до некоторой степени большей емкостью кэша L1 процессора. Го-

раздо важнее то, что благодаря двукратному уменьшению скоро-

сти интерфейса кэша становится значительно проще увеличить

тактовую частоту ЦП; в настоящее время выпускаются 233-, 266- и

300-

МГц модели Pentium II, а в будущем году намечается достичь

отметки 400 МГц.

Применение для кэша Pentium II микросхем памяти, выпус-

каемых другими изготовителями, высвобождает производствен-

ные мощности фирмы Intel, а благодаря острой конкуренции на

рынке SRAM сохраняется низкий уровень себестоимости. Это по-

зволило Intel сделать 512-Кбайт кэш L2 стандартной принадлеж-

ностью Pentium II; вариант 512-Кбайт кэша для Pentium Pro обхо-

дится дорого и

используется очень редко. В результате хотя, ин-

400

терфейс кэша L2 процессора Pentium II работает с меньшей

скоростью, емкости его кэшей L1 и L2 в два раза больше.

Одно из ограничений, присущих нынешней архитектуре

Pentium II, состоит в том, что она позволяет строить только двух-

процессорные системы, в то время как Pentium Pro может работать

в четырехпроцессорной конфигурации. По этой причине до конца

нынешнего года многие разработчики

серверов будут по-

прежнему ориентироваться на Pentium Pro. Даже в некоторых од-

но- и двухпроцессорных серверах будет применяться Pentium Pro,

поскольку для выполнения прикладных задач, требующих обра-

ботки больших объемов данных, преимущества высокоскоростно-

го кэша L2 могут оказаться гораздо важнее, нежели большая ем-

кость кэшей и высокая тактовая частота. Кроме того, серверы, как

правило, мало что

выигрывают от технологии ММХ. Однако в

1998 г. появится новый вариант Pentium II (описанный ниже в этой

статье), который вытеснит Pentium Pro с рынка серверов.

Приложение 3. Сводные данные о МП Intel

Процессор Intel"Xeon"

Процессор Intel Xeon (2; 1,7; 1,5 и 1,4 ГГц)

Дата выпуска: 25 сентября 2001 г. (2 ГГц)

Кэш-память второго уровня: 256 КБ Advanced Transfer Cache (ин-

тегрированная)

Тип корпуса: Organic Lan Grid Array 603 (OLGA 603)

Частота системной шины: 400 МГц

Потоковые SIMD расширения SSE2

Область применения: Двухпроцессорные серверы и рабочие стан-

ции

Процессор Intel "Pentium" 4

Процессор Intel Pentium 4 произведенный по 0.18-микронной

технологии (2; 1,9; 1,8; 1,7; 1,6; 1,5 и 1,4 ГГц)

Дата выпуска: 27 августа 2001 г. (2, 1.9 ГГц); 2 июля 2001 г. (1.8,

1.6 ГГц); 23 апреля 2001 г. (1.7 ГГц); 20 ноября 2000 г. (1.5, 1.4

ГГц)

Кэш-память второго уровня: 256 КБ Advanced Transfer Cache (ин-

тегрированная)