Энциклопедия PC

226 Глава 5. Процессоры

память Scratch EEPROM, которая предназначена для занесения системной информации поставщиком процессора (или компьютера с этим процессором) и может быть защищена от последующей записи. Для взаимодействия с PIROM и Scratch EEPROM (а также устройством термоконтроля) процессор имеет дополнительную последовательную шину SMBus (System Management Bus) — отдельный электрический интерфейс, с которым работает чипсет системной платы. Обращение к указанным учетным данным получается довольно сложным — это целаяпроцедура, привязанная креализации чипсета, а не одна инструкция.

В процессор Pentium III ввели расширение инструкции CPUID, по которому легко можно получить 64-битный уникальный идентификатор данного процессора. Идентификатор процессора, по замыслу Intel, должен стать дополнительным средством аутентификации в Интернете (и других сетях) наряду с именем пользователя и паролем, вводимыми вручную. Однако если имя и пароль можно сменить в любое время, идентификатор присваивается навечно и принудительно, хотя имеется возможность запретить процессору сообщать свой идентификатор. Для управления выдачей идентификатора в модельно-специфическом регистре BBL_CR_ CTL (MSR 119h) выделяется запрещающий бит (бит 21). Он может быть установлен в 1 программно, с помощью инструкции обращения к MSR, и тогда по инструкции CPU ID будет доступна только традиционная информация. Заметим, что инструкции обращения к MSR обычно привилегированны, то есть могут выполняться только на уровне привилегий ядра ОС. По аппаратному сбросу процессора (и только так!) бит обнуляется и полная идентификация разрешается. Декларированное «отключение по умолчанию» возлагается на ОС или BIOS, и для Windows предлагается специальная утилита, опрашивающая значение бита MSR и управляющая его установкой, а также сообщающая прочитанный (по возможности) идентификатор.

Основная информация о процессоре предоставляется по инструкции CPU ID, доступность которой определяется через бит 21 (ID) регистра EFLAGS. По инструкции CPUID(O) можно определить производителя процессора (Intel, AMD, Cyrix...) и возможности данной инструкции. Вызов CPUID(l) сообщает сигнатуру процессора — тип, семейство, модель и степпинг, а также список расширений архитектуры. Эта сигнатура должна рассматриваться в совокупности с именем производителя (заметно различающиеся процессоры разных фирм имеют совпадающие сигнатуры). Одному и тому же сочетанию типа, семейства и модели может соответствовать несколько типов процессоров одной фирмы, например, Pentium II и Pentium II Хеоп по ним неразличимы. Эти процессоры различаются элементами системы кэширования, и их можно распознать по дескрипторам, сообщаемым по инструкции CPUIDC2). И, наконец, серийныйномерпроцессора, еслиэтопозволено, можноузнать по CPUIDC3). Процессоры AMD, начиная еще с К5 модели 1. и Intel, начиная с Pentium 4, имеют расширенные функции CPUID, сообщающие имя процессора (до 48 символов).

Заметим, что здесь нигде в явном виде не фигурирует тактовая частота процессора — для каждой модели и степпинга выпускаются процессоры с некоторым диапазоном тактовых частот, а конкретное значение обозначается на корпусе после испытаний и отбраковки. Впроцессорах Хеоп«официальная» тактовая

228 Глава5. Процессоры

Таблица5.2 (продолжение)

* Вместопервичногокэшаинструкцийимеетсякэштрассна12Кмикроопераций.

Конечноже, интереспредставляютипроцессорыкласса486, которыесуспехом применяются как встраиваемые управляющие процессоры, отличающиеся от своих более поздних собратьев меньшей ценой, низким энергопотреблением и более легким согласованием с 8- и 16-разрядной периферией. Среди них самый привлекательный процессор — это Ат5х86, имеющий многие черты архитектуры пятого поколения и интерфейс, совместимый с 486. И, конечно же, большой парк эксплуатируемых нынче PC с процессорами класса 486 просуществует «це нескольколет, удовлетворяяпотребностимногочисленныхпользователей.

Самые массовые на сегодняшний день — процессоры Intel 6-го поколения, со всем их многообразием сокетов и слотов. Как видно из таблицы в слот 1 (SC242) можно установить любой из «настольных» процессоров — Pentium II, Celeron (до

433 МГц) и Pentium III. В сокет-370 можно установить Celeron ЗООА-Celeron 600, Pentium III сулучшеннымкэшем256 КбайтиVIA Cyrix III, носоглядкойна

230 Глава 5. Процессоры

проблемы совместимости первой и второй редакций сокета (см. п. 4.2.1). При наличии подходящего переходника процессоры для сокета-370 могут быть установлены и в слот 1. Слот 2 предназначен для мощных процессоров Хеоп — как с SSE, так и без него. Для сокета 8, кроме старых Pentium Pro, можно установить Pentium II Overdrive (Xeon-333). При наличии специального переходника в со-кет 8 можно установить и Celeron (понижение напряжения обеспечивается регулятором на переходнике).

5.6. ПроцессорыфирмыIntel

Фирма Intel на протяжении долгих лет являлась бесспорным лидером в разработке и выпуске процессоров порожденного ей семейства х86. В IBM PC применялись процессоры всех поколений, первые четыре поколения в этой книге уже практически не рассматриваются (интересующиеся могут обратиться к дополнительной литературе [1, 2, 3]).

С процессоров Pentium фирмы Intel началось пятое поколение процессоров семейства х86. По базовой регистровой архитектуре исистеме команд ониявляются 32-разрядными процессорами, но имеют 64-битную шину данных, благодаря чему их иногда ошибочно называли 64-разрядными. Шина адреса позволяет адресовать 4 Гбайт физической памяти. Процессоры Pentium MMX (P55C) — последнее поколение процессоров Pentium. Кроме MMX-расширения в архитектуре Pentium MMX имеется ряд усовершенствований, повышающих его производительность и на обычных операциях. Последняя модель Pentium имела частоту ядра 233 МГц, Pentium MMX - 266 МГц.

По интерфейсу шина процессора Pentium стала развитием шины процессора 486. Если шина 486 ориентирована на максимальную гибкость и простоту подключения устройств с различной разрядностью, то шина Pentium — на достижение максимальной производительности. Интерфейс рассчитан на применение внешнего вторичного кэша и внутреннего первичного с возможностью работы как со сквозной (WT), так и с обратной записью. Интерфейс позволяет объединять до 2 процессоров на одной шине для реализации SMP или FRC. Интерфейс Pentium используется всокетах4, 5 и7 процессорами разныхпроизводителей.

5.6.1.ПроцессорыР6

Кшестому поколению процессоров Intel относится Pentium Pro, все разновидности процессоров Pentium II/III, а также Celeron. Процессоры этого поколения имеют обобщенное название Р6. С точки зрения принципа организации вычислений, главное отличие этого поколения заключается в динамическом исполнении, при котором внутри процессора инструкции могут исполняться не в том порядке (out of order), который предполагает программный код. Это решение призвано повысить производительность процессора за счет улучшения архитектуры, а не повышения тактовой частоты. Некоторые идеи такого рода реализованы и в процессорах, описанных вп. 5.7.1. Динамическое исполнение резко повы-

5.6. ПроцессорыфирмыIntel 231

шает частоту запросов процессорного ядра к шине за данными и инструкциями, поскольку ядро одновременно обрабатывает несколько инструкций. Для обхода узкого места — внешней шины — в Р6 применена архитектура двойной независимой шины DIB (Dual Independent Bus), реализующая, по сути, две отдельные шины. Одна из этих шин используется только для связи с кристаллом вторичного кэша, расположенным в том же корпусе микросхемы или картридже, что и процессор. Эта шина является локальной и в геометрическом смысле — проводники имеют длину порядка единиц сантиметров, что позволяет использовать ее на высокой частоте тактирования, вплоть до частоты ядра. Значительный объем вторичного кэша обеспечивает удовлетворение большинства запросов к памяти сугубо локально, при этом коэффициент загрузки внутренней шины достигает 90 %. Вторая шина процессорного кристалла выходит на внешние выводы микросхемы (картриджа), она и является системной, или «фасадной» шиной FSB (Front-Side Bus) процессора Р6. Эта шина работает на внешней частоте независимо от внутренней шины. По статистике работы с приложениями середины 90-х годов загрузка процессором внешней шины для обычных «настольных» применений составляет порядка 10 % от ее пропускной способности, а для серверных применений может достигать 60 % при четырехпроцессорной конфигурации. Таким образом, ограниченная пропускная способность внешней шины (533 Мбайт/с при 66,67 МГц и 1064 Мбайт/с при 133 МГц в пике пакетной передачи) перестает служить фактором, обесценивающим производительность процессора. Однако для современных процессоров и приложений и этой пропускной способности уже не хватает. Снижение нагрузки на внешнюю шину позволяет эффективно использовать многопроцессорную архитектуру. Системная шина Р6 более эффективна для объединения процессоров по симметричной архитектуре, чем шины предыдущих процессоров, оптимизированные для обмена с памятью. Она позволяет без дополнительных схем объединять до четырех процессоров, хотя в обычных процессорах Pentium II/III возможности объединения урезаны до двух.

В ходе эволюции поколения к системе команд Pentium Pro, расширенной относительно Pentium с целью сокращения условных переходов, было добавлено расширение ММХ — так появился Pentium П. Затем идею ММХ — одновременное исполнение одной инструкции над группой операндов — распространили и на инструкции с плавающей точкой: SSE (Streaming SIMD Extensions) — основной козырь Pentium III. Правда, несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD — расширение 3DNow! было реализовано уже в процессорах К6-2 длясокета 7.

Микроархитектура Р6 «честно» отработала на ряде моделей процессоров, на-

чиная с Pentium Pro (1995 г., 0,6 мкм, 150 МГц) и до Pentium III (2000 г., 0,18 мкм, 1

ГГц). На частоте выше 1 ГГц она «сломалась», и первая партия Pentium III-1,13 ГГц была отозвана из продажи из-за нестабильности работы. У предыдущего поколения «живучести» было меньше — первый Pentium имел частоту 60 МГц (1993 г.), последний — только 233 (1997 г.), хотя, возможно, здесь кроме технических аспектов сильно влияют и маркетинговые соображения.

Процессоры Pentium Pro (1995 г., технология 0,5 мкм, впоследствии 0,35 мкм) выпускались с частотами ядра 150, 166, 180 и 200 МГц и объемом вторичного кэша 256 и 512 Кбайт (1024 Кбайт в специальных моделях). Раздельный пер-

232 Глава5. Процессоры

вичный кэш инструкций и данных имеет объем 8+8 Кбайт. Вторичный кэш работает на частоте ядра. Частота системной шины — 60 или 66 МГц. Достоверность данных вторичного кэша в некоторых модификациях контролируется с помощью EGC. Процессоры могут работать в симметричных мультипроцессорных системах (SMP)

— до четырех процессоров на общей шине. Объединяемые процессоры должны иметь одинаковые коэффициенты умножения частоты (единая тактовая частота шины подразумевается). Для этих процессоров был введен сокет 8. В 1998 году для замены этих процессоров был выпущен Pentium II OverDrive на базе ядра процессора Хеоп (см. ниже) с частотой 333 МГц (шина — 66,6 МГц), вторичным кэшем 512 Кбайт (кэшируемый объем памяти 64 Гбайт), работающим на частоте ядра, и фиксированным коэффициентом умножения (KF-5, при частоте шины 60 МГц частота ядра будет 300 МГц). Модернизации поддаются не все системные платы. Внешний регулятор напряжения не требуется — процессор «заказывает» напряжение питания ядра 2,5 В, а встроенный VRM, установленный на его радиаторе, понижает VCcp до 2,0 В. Этот процессор допускает построение двухпроцессорных систем, 3- и 4-про'цессорные конфигурации не поддерживаются. При этом использование Pentium Pro в паре с новым процессором недопустимо. Цена, определенная фирмой (599 долларов), как всегда заставляет задуматься о целесообразности модернизации имеющейся системы. Дальнейшее развитие процессоров для сокета 8 (более высокие тактовые частоты) не предусматривается, поскольку, начиная уже с частоты ядра 350 МГц, внешняя частота процессоров Pentium II — 100 МГц— недоступна длясокета 8.

Процессоры Pentium Я сочетают архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ. По сравнению с Pentium Pro удвоен размер первичного кэша (16+16 Кбайт), размер вторичного кэша варьируется от 0 до 2 Мбайт. В процессоре используется новая технология корпусов — картридж с печатным краевым разъемом, на который выведена системная шина (Single Edge Contact Cartridge — SECC). На картридже размером 14 x 6,2 x 1,6 см установлена микросхема ядра процессора (CPU Core), несколько микросхем, реализующих вторичный кэш, и вспомогательные дискретные элементы (резисторы и конденсаторы). Снятие вторичного кэша с микросхемы процессора позволяет использовать для кэш-памяти и памяти тегов микросхемы сторонних производителей, специализирующихся на выпуске сверхбыстродействующей памяти. Объем вторичного кэша определяется емкостью и числом установленных микросхем памяти. В то же время сохраняется независимость шины вторичной кэш-памяти, которая тесно связана с ядром процессора собственнойлокальнойшиной.

Первые процессоры Pentium II (до выпуска они имели кодовое название Klamath), появившиеся весной 1997 года, насчитывали около 7,5 млн транзисторов только в процессорном ядре и выполнялись по технологии 0,35 мкм, питание 2,8 В. Они имели тактовые частоты ядра 233, 266 и 300 МГц при частоте системной шины 66,6 МГц. При этом вторичный кэш работал на половинной частоте ядра и кэшировал только первые 512 Мбайт пространства памяти. Для этих процессоров был разработан слот 1, по составу сигналов сильно напоминающий сокет 8 для Pentium Pro. Однако слот 1 позволяет объединять лишь пару процессоров для реализации симметричной мультипроцессорной системы либо

5.6. ПроцессорыфирмыIntel 233

системы с избыточным контролем функциональности (FRC). Таким образом, этот процессор представляет собой болеебыстрыйPentium Pro споддержкойММХ, но урезанным мультипроцессированием. Первые модели по CPUID сообщают идентификатор063xh.

СледующеепоколениеPentium II, имевшеекодовоеназваниеDeshutes, появилось в 1998 году и выполнялось уже по технологии 0,25 мкм, питание 2,0 В. Это позволило поднять тактовую частоту (чем мельче элементы, тем меньше они рассеивают мощность, что особенно критично на высоких частотах). Процессор на 333 МГц имеет частоту шины 66,6 МГц, а процессоры на 350, 400 и 450 МГц уже имеют частоту системной шины 100 МГц. Для работы на такой частоте эффективна оперативная память на микросхемах SDRAM (синхронная динамическая память), у которой в середине пакетного цикла данные передаются в каждом такте. Эти процессоры также устанавливаются в слот 1 (опять-таки не более двух в системе). Начиная с процессоров 350 МГц, объем памяти, кэшируемой на L2, увеличилидо4 Гбайт. ПоCPUID сообщаетсяидентификатор065xh.

Процессоры Pentium III (1999 г.) являются дальнейшим развитием Pentium И. Кодовое название до выхода — Katmai. Их главным отличием является расши-

рение набора SIMD-инструкций — SSE (Streaming SIMD Extensions), предвари-

тельно называвшееся KNI (Katmai New Instructions), основанное на новом блоке 128-разрядных регистров ХММ. Этот блок позволяет одной инструкцией выполнять операции сразу над четырьмя комплектами 32-разрядных операндов в формате с плавающей точкой (одинарная точность). При выполнении новых инструкций оборудование традиционного FPU/MMX не используется, что позволяет эффективно смешивать инструкции ММХ с инструкциями над операндами с плавающей точкой. Инструкции с регистрами ХММ могут работать и в скалярном режиме (с одним комплектом операндов). Кроме арифметических, есть и логические инструкции. Появились и новые возможности управления кэшированием. Расширена инструкция CPUID, по которой теперь можно получить уникальный 64-битный идентификатор процессора (тот, что у Хеоп можно было прочесть по SMBus). «Простые» Pentium III в упаковке SECC или SECC2 устанавливаются в слот 1, в FC-PGA — в сокет-370; Pentium III Xeon устанавливаются в слот 2. По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II и Pentium II Хеоп. Возможность избыточных конфигураций (FRC) есть только у Pentium III Xeon. Частота ядра начинается с 500 МГц, частота системной шины — 100 и 133 МГц. Вторичный кэш в первых моделях Pentium III — 512 Кбайт с ЕСС-контролем — работает на половине частоты ядра, расположен на картридже в виде отдельных микросхем (собственно память и память тегов). Первые модели по CPUID сообщают идентификатор067xh.

Процессоры с ядром Coppermine (иногда сокращенно называют CuMine) тоже называются Pentium III. Несмотря на слово copper (Си— медь) вназвании, медные проводники в них не используются. Технология 0,18 мкм, 28 млн транзисторов, площадь кристалла 106 мм2. Выпускаются в картридже SECC-2 для слота-1 \SC242) и в корпусе FC-PGA (Flip-Chip PGA) для сокета-370. Первичный кэш 32

Кбайт (16+16), на кристалле ядра расположен улучшенный вторичный кэш -, Advanced Transfer Cache) размером 256 Кбайт с ЕСС-контролем, который работает начастотеядра. Вторичныйкэшсвязансядромшинойразрядностью256 бит

234 Глава5. Процессоры

(у предыдущих Р6 с отдельно расположенным кэшем и процессоров Celeron с интегрированным кэшем разрядность шины данных кэша составляла 64 бит). По сравнению с Celeron и первыми моделями Pentium III, вторичный кэш CuMine имеет меньшую латентность (задержку от запроса до начала пересылки данных), а пропускная способность его шины выросла в 4 раза. Например, для процессоров Pentium III 533B и 533ЕВ пропускная способность шины вторичного кэша составляет 533 х 8 = 4,2 и 533 х 32 = 17 Мбайт/с соответственно. Набор инструкций включает SSE и выдачу серийного номера процессора. Напряжение питания для сокета-370 — 1,6 В, для слота 1 — 1,65 В. Частота системной шины 100 и 133 МГц. Коэффициенты умноженияфиксированыизготовителем. Анонсированымоделисчастотами 500 (100

х5), 533 (133 х 4), 550 (100 х 5,5), 600 (100 х 6 или 133 х 4,5), 650 (100 х 6,5), 667 (133

х5), 700 (100 х 7), 733 (133 х 5,5), 750 (100 х 7,5), 800, 850, 866, 933, 1000 МГц (для сокета пока только 500 и 550 МГц). В обозначении процессора, например Pentium III-533EB, буква Еозначает улучшенныйкэш, буква В — частоту шины 133 МГц (без буквы В — 100 МГц). Маркировка процессоров Pentium III довольно сложно расшифровывается, но с марта 2000 года для процессоров в корпусе FC-PGA она упрощается. Так, вместо маркировки вида RB805526PY600256 будет более понятная надпись вида 600/256/1'00/1.6V - частота ядра/размер кэша Ь2/частота шины/напряжение питания. В марте 2000 года вышли модели на 850 и 866 МГц. Предыдущие модели (500 и 550 МГц) в корпусах FC-PGA не поддерживают SMP, но, начиная с 600 МГц, поддержку SMP обещают. Процессоры в SECC2 имеют то же назначение выводов, что и их предшественники для слота 1. Однако модернизация старых плат может упереться в старую версию BIOS и в невозможность обеспечения низкого (1,65 В) напряжения питания. Процессоры в FC-PGA отличаются от семейства Celeron, для которых был введен сокет-370, назначением пяти выводов, и по этой причине совместимости со старыми платами (возможно, на чипсетах i440BX/ZX) небудет. ПоCPUID процессорсообщаетидентификатор068xh.

Для «самых простых» компьютеров весной 1998 года выпустили облегченный вариант процессора Pentium II, названный Celeron. Процессоры Celeron с ядром Covington (технология 0,25 мкм, питание 2 В) имеют частоты 266 и 300 МГц (частота шины — 66 МГц) и тоже устанавливаются в слот 1, но их картриджи несколько проще и называются иначе — SEPP (Single Edge Processor Package). Они не имеют микросхем вторичного кэша и задней крышки защитного кожуха. Исключение вторичного кэша заметно отразилось на производительности (системные платы для слота 1 вторичного кэша, естественно, не имеют). По CPU ID сообщается идентификатор 065xh.

При падении цен на системные платы и дешевизне самого процессора Celeron машины начального уровня оказались действительно недорогими.

Летом 1998 года вышла следующая модель Celeron, известная также под названием Mendocino. Сюда относятся процессоры Celeron 300A (с частотой 300 МГц) и Celeron 333-533 МГц. Процессоры имеют небольшой (128 Кбайт) вторичный кэш, установленный на кристалле ядра и работающий на полной частоте ядра (как у Pentium Pro, но с несколько большей латентностью). Процессоры с частотами 300433 МГц выпускались и под слот 1 (технология 0,25 мкм, питание 2,0 В), и для сокета-370 (технология 0,22 мкм, питание 2,0 В) вкорпусе PPGA. В корпусе

5.6. ПроцессорыфирмыIntel 235

PPGA выпускаются процессоры с частотой до 533 МГц, при этом частота системнойшины— только66 МГц. ПоCPUID сообщаетсяидентификатор066xh.

Весной 2000 года появились процессоры Celeron на ядре Coppermine (0,18 мкм, питание 1,5 В), их еще называют Celeron П. Как и у всех последних процессоров семейства Celeron, вторичный кэш имеет размер 128 Кбайт, а частота шины равна 66 МГц. Главное отличие — поддержка инструкций SSE. Частота ядра — начинаяс 533 МГц (Celeron 533A). Начиная с частоты 800 МГц, наконец-то поднята частота шины до 100 МГц. По CPUID сообщается идентификатор 068xh. Упаковка FC-PGA (для сокета-370), по назначению выводов процессор «условно» совместим с платами для Celeron (RESET# там же, но требуется изоляция вывода АМ2 от шины

GND).

Кроме широко известных особенностей вторичного кэша (либо его нет, либо есть размером 128 Кбайт), процессор Celeron от Pentium II имеет следующие отличия.

ш Разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 бит (адресуемая память — 4 Гбайт).

тКонтроль паритета шины адреса и шины запроса, ЕСС-контроль шины данных и контроль неисправимых ошибок шины отсутствует, как и сигнал инициализациишины.

тПроцессоры предназначены только для одиночных конфигураций: из сигналов запроса шины официально остался только BRO#, что не позволяет реализовать симметричные двухпроцессорные конфигурации. Реально сигнал BR1# в некоторых моделях присутствует, что позволяет использовать Celeron ивдвухпроцессорных SMP-системах.

«Коэффициенты умножения частоты фиксированы. Внешняя частота — 66 МГц(задаетсязаземленнымилиниямиBSEL[1:0]#).

Для мощных компьютеров (серверов) предназначено семейство Хеоп — «утяжеленные» варианты процессоров Pentium II и Pentium III. Для них ввели новый слот 2, который (вместе с интерфейсом нового процессора) позволяет строить как избыточные системы с FRC, так и симметричные 1-, 2-, 4- и даже 8-процессорные системы. Вторичный кэш, как и в Pentium Pro, работает на частоте ядра (а не на ее половине). Объемвторичногокэша— 512 Кбайт, 1 или2 Мбайт.трикэшированиидо 64 Гбайт (все адресное пространство при 36-битной адресации). Процессоры Хеоп отличаются не только большей мощностью, но и большими размерами — 15,2 х 12,7 х1,9 см.

Процессоры Хеоп имеют новые средства хранения системной информации. Постоянная (только для чтения) память процессорной информации PIROM (Processor Information ROM) хранит такие данные, как электрические спецификации ядра процессора и кэш-памяти (диапазоны частот и питающих напряжений), S- спецификацию и серийный 64-битный номер процессора. По инструкцииCPUID такая информация недоступна, что открывало возможность перемар-кнровки. Энергонезависимая память Scratch EEPROM предназначена для занесения системной информации поставщиком процессора (или компьютера с этим гттюцессором) и может быть защищена от последующей записи. Процессор оборудовантермодатчиком(термодиоднакристаллеядра) спрограммируемымус-