Historie procesoru Pentium a jeho konkurence. Rostislav Kreisinger a Kamil Perutka

Transkript

1 Historie procesoru Pentium a jeho konkurence Rostislav Kreisinger a Kamil Perutka

2 Procesory 5. generace AMD K5 (1995) je procesor vyvinutý firmou AMD a kompatibilní s procesorem Pentium. Byl vyráběn ve verzích PR75, PR90, PR100, PR120, PR133, PR166 Základní vlastnosti procesoru K5: 16KB cache pro kód, 8KB cache pro data (typ write-back) Dynamické vykonávání instrukcí-předpovídání větvení se spekulativním vykonáváním Pětistupňová hlavní větev, podobající se svojí architekturou procesorům RISC a mající šest paralelních funkčních jednotek Vysoce výkonná jednotka pro práci s desetinnými čísly Rychlost procesoru nastavitelná vývody na 1,5násobek či 2násobek rychlosti základní desky IDT Centaur C6 Windchip Procesor podporující technologii MMX a určený pro rychlosti 180, 200, 225 a 240 MHz. Využívá patici Socket 7, tedy může nahradit Pentium. 2 x 32KB paměti cache pro kód a data, tímto se podobá AMD K6 či Cyrix 6x86 Ale má pouze 5,4 miliónů tranzistorů, zatímco AMD má 8,8 miliónů

3 Na rozdíl od konkurence nemá superskalární architekturu.-maximálně jedna instrukce během jednoho cyklu Díky velké paměti cache srovnatelné výsledky s Pentium v běžných aplikacích. Procesory 6. generace Procesor NexGen Nx586 Všechny vlastnosti 5. Generace superskalární architekturu se dvěma vnitřními větvemi pro vykonávání instrukcí a vysoce výkonnou L1 cache o velikosti 32KB. Pro srovnání Pentium měly jen 16KB Současně však podporovaly technologii předpovídání větvení, což je jedna z charakteristik procesorů 6. Generace. Jádro odpovídalo architektuře RISC Součástí byla jednotka pro překlad instrukcí ze standartu x86 na RISC86 Procesor AMD K6 (1996) Základ vytvořila firma NexGen při vývoji Nx686 Výkonnostně se procesory AMD K6 řadí někde mezi Pentium a Pentium II Výkon procesoru je snižován tím, že jsou určeny pro patici Socket 7 pro 5. Generaci vliv na výkon paměti cache K interpretaci instrukční sady používal x86 překlad/emulaci, nazývanou RISC86 emulace Hlavní charakteristiky:

4 Vnitřní architektura odpovídá šesté generaci procesorů, vnější rozhraní odvozeno od procesorů 5. Generace Jádro typu RISC, zajišťující překlad instrukcí sady x86 na instrukce RISC. Superskalární architektura (7 jednotek pro paralelní vykonávání instrukcí) Dynamické vykonávání instrukcí Předpovídání větvení Spekulativní vykonávání instrukcí Velká L1 cache 64KB celkem, 32KB pro data a 32KB pro instrukce Vestavěná jednotka pro výpočet s desetinnými čísly FPU Podpora technologie MMX Pouzdro typu CPGA určeno pro patici Socket 7 Výroba technologií 0.35 mikronu,pozd2ji 0.25 mikronu, jádro sestává z 5 vrstev Vylepšenou verzi procesoru K6 se stala řada K6-2 (1996) Taktovací frekvence se zvýšila až na 550MHz Podpora teologie 3DNow (21 nových instrukcí pro urychlení práce s grafikou a zvukem) Poslední varianta procesoru K6 jsou procesory K6-3, jejíchž nejdůležitější změnou je 256KB L2 cache umístěné přímo u jádra a pracující na rychlosti jádra

5 Přidání cache a zvýšení rychlosti z něj udělalo přímého konkurenta Pentia II a Celeronu Procesory AMD Athlon K7 ( ) Následovník řady K6 Stejně jako v Pentiu 2 a 3 byla použita vyrovnávací paměť typu L2 velikosti 512 kb. Tato paměť byla umístěna vně procesoru, ale stále na jednom modulu. Obvyklá rychlost byla poloviční k jádru procesoru. AMD zvýšilo velikost vyrovnávací paměti typu L1 na 128 kb. AMD výrazně zlepšilo jednotku pro operace v plovoucí řádové čárce Taktovací frekvence začínala na 550MHz a 650MHzm a později až na 1000MHz. Datová sběrnice 200MHz Podpora MMX a Enhanced DNow 45 dalších instrukcí zrychlujících práci s grafikou a zvukem Nejprve vyráběny technologií 0,25mikronu,později 0,18mikronů V roce 1999 byl Athlon nejrychlejším procesorem pro instrukční sadu x86. AMD Athlon Thunderbird (2000)

6 Druhá generace Athlonu s jádrem Thunderbird přišla se zcela novou paticí PGA ( pin grid array ) nazývanou Socket A. Taktovací frekvence začínala od 700 MHz až do 1400 MHz. Hlavní rozdíl oproti první generaci athlonu byla odlišně řešená vyrovnávací paměť. AMD změnilo 512 kb paměť na 256 kb, nicméně byla plně integrována přímo v procesoru. Toto řešení přineslo výrazné zrychlení této paměti. AMD Duron (2000) Podle vlastních slov AMD je Duron levnější variantou k procesoru Athlon. Jde o analogii Pentium/Celeron. Duron je kompatibilní s paticí Athlonu a pracuje na stejných základních deskách. Vizuálně se liší malým štítkem na jádru. Obsahuje 128 kb vyrovnávací paměť L1, ale pouze 64 kb typu L2. Původní Duron pracoval pouze s frekvencí 100 MHz FSB, pozdější verze až se 133MHz. První jádro Duronu se jmenovalo Spitfire a pracovalo na taktovací frekvenci od 650 do 950 MHz, založené na jádře Athlonu Thunderbird. Druhá generace nazvaná Morgan pracovala na frekvenci 1000 až 1300 MHz a byl založené na jádře Athlon XP Palomino. V roce 2003 AMD vydalo Duron s jádrem Applebred s frekvencí od 1400 do 1800 MHz založené na jádře Athlon XP Thoroughbread.

7 Procesory Cyrix MediaGX Jednalo se o procesory pro nejlevnější počítače, z těchto důvodů obsahuje procesor integrované funkce pro řízení grafiky,zvuku a paměti. Současně je do jádra procesoru zahrnuto i PCI rozhraní, je dodáván s dalším čipem Cx2210 nahrazujícím čipy North Bridge a South Bridge čipové sady Tohle řešení umožnilo zmenšení základní desky a snížení spotřeby Později firma Cyrix vyvinula vylepšenou verzi, jejíž hlavní novinkou byla podpora technologie MMX, podpora standartu Microsoft PC97 pro technologii Plug and Play, integrovaný řadič herních zařízení a podpora standartu AC97 pro práci se zvukem, a dva USB porty. Procesory byly dodávány ve verzích pro rychlosti 166 a 180 MHz a modernizovaná verze pak existuje ve verzích pro 200 a 233 MHz Procesory Cyrix/IBM 6x86 a 6x86MX Oba procesory se podobají AMD K5 a K6 v tom, že jejich vnitřní architektura je řadí do šesté generace,zatímco vnější rozhraní odpovídá spíše páté generaci Supersklalární architektura, oba typy mají dvě vnitřní větve pro vykonávání instrukcí Předpovídání větvení procesory jsou schopné s poměrně velkou přesností určit další potřebné instrukce Spekulativní vykonávání instrukcí jednotlivé větve jsou schopné plynule vykonávat instrukce, aniž by nastalo nějaké čekání na

8 dokončení instrukce. Dokončení instrukcí mimo pořadí rychlejší instrukce jsou dříve uvolněny z výkonné větve a uloženy v zásobníku. Tím je zajištěno, že nedojde k porušení pořadí instrukcí v původním programu Správa napájení oba procesory podporují technologii SMM AMD Athlon XP (2001) Athlon XP byl přímá odpověď na Pentium 4 firmy Intel. V průběhu svého vývoje přišel se třemi verzemi jádra. Prvním z nich bylo Palomino. Palomino bylo nabízeno s taktovacími frekvencemi začínajícími na 1333MHz a končícími na 1733MHz. Toto jádro bylo ve skutečnosti poprvé použito ve verzi Athlon MP. Největší nevýhodou bylo velice rychlé zahřívání na vysoké teploty. U Athlonů XP se AMD navrací k marketingovému tahu tzv. Pentium Rating. Athlon měl mnohem větší počet ( IPC instructions per clock ) instrukcí provedených za jeden takt než Pentium. V očích zákazníků by nižší frekvence mohla evokovat pocit nižšího výkonu. Thoroughbread opustil výrobní linky roku Taktovací frekvence začínala na 1800MHz (v PR 2200) až do 2083 MHz (v PR 2600+). Další verze jádra bylo jádro Barton

9 AMD-K7800MPR52B 2 800/100x2 8,0x ,70 48,0 0,18 22 I/2000 AMD-K7850MPR52B 2 850/100x2 8,5x ,70 50,0 0,18 22 II/2000 AMD-K7900MNR53B2 900/100x2 9,0x ,80 60,0 0,18 22 III/2000 AMD-K7950MNR53B2 950/100x2 9,5x ,80 62,0 0,18 22 III/2000 AMD-K /100x2 10,0x ,80 65,0 0,18 22 III/2000 OOMNR53B AMD-A0650MPR24B 4 650/100x2 6,5x ,70 36,1 0,18 37 VI/2000 AMD-A0700MPR24B 4 700/100x2 7,0x ,70 38,3 0,18 37 VI/2000 AMD-A0750MPR24B 4 750/100x2 7,5x ,70 40,4 0,18 37 VI/2000 AMD-A0800MPR24B 4 800M0x2 8,0x ,70 42,6 0,18 37 VI/2000 AMD-A0850MPR24B 4 850/100x2 8,5x ,70 44,8 0,18 37 VI/2000 AMD-A0900MMR24B4 900/100x2 9,0x ,75 49,7 0,18 37 VI/2000 Procesory Athlon v pouzdru pro konektor Slot A: vyrobní Označení Rychlost Násobek L2 Rychlost Napájec Max. tech Počet tran-uvedezistorů na trh procesoru Model jádra/ rych- cache L2 í příkon nologie AMD-K750OMTR51 (KB) (W) (mikronů) 1 500/I00x2 5,0x ,60 42, (mil.) 22 VI/1999 BAMD-K7550MTR /100x2 5,5x ,60 46,0 0,25 22 VI/1999 B AMD-K760OMTR /100x2 6,0x ,60 50,0 0,25 22 VI/1999 B AMD-K7650MTR /100x2 6,5x ,60 54,0 0,25 22 VIII/1999 B AMD-K7700MTR /100x2 7,0x ,0 0,25 22 X/1999 B AMD-K7550MTR /100x2 5,5x ,60 31,0 0,18 22 XI/1999 B AM D-K760OMTR /100x2 6,0x ,60 34,0 0,18 22 XI/1999 B AMD-K7650MTR51B 2 650/100x2 6,5x ,60 36,0 0,18 22 XI/1999 AMD-K770OMTR /100x2 7,0x ,60 39,0 0,18 22 XI/1999 B AMD-K7750MTR52B 2 750/100x2 7,5x ,60 40,0 0,18 22 XI/1999 AMD-A0950MMR24B4 950/100x2 9,5x ,0 0,18 37 VI/2000 AMD- 4 AlOOOMMR24B 1000/100x2 10,0x ,75 54,3 0,18 37 VI/2000

10 INTEL Procesory 5. Generace Procesor Pentium V březnu roku 1993 byly uvedeny první procesory s označením pentium. Pentium je z hlediska instrukcí kompatibilní s předchozími procesory, ale odlišuje se od nich ve způsobu zpracovávání instrukcí. Procesor obsahuje dvě vnitřní větve pro vykonávání instrukcí. Větev u a větev v. Primární větev u je schopna pracovat se všemi instrukcemi, naopak větev u umí pracovat jen s instrukcemi pro celá čísla a některými instrukcemi pro desetinná čísla. Proces provádění dvou instrukcí současně se nazývá párování. Procesory obsahovaly také Branch Target Buffer (BTB), který umožňuje předpovídání větvení. Pentium má 32bitovou adresovou sběrnici, což znamená, že je možné adresovat 4 GB paměti. Avšak datová sběrnice má již 64bitů. Toto vyžaduje, aby k systémové paměti byl zajištěn přístup o šířce 64bitů. To znamenalo přechod od pamětí simm na dimm, které měly paměťové banky o velikosti 64bitů. Pentium má dvě oddělené paměti cache, každá o velikosti 8KB. Obě paměti i jejich řadiče jsou již integrovány přímo do čipu.

11 Pentium první generace Vnitřní architektura Pentia První generace se vyráběla ve frekvencích 60 a 66 MHz, přičemž rychlost základní desky byla stejná jako procesor. Procesor měl pouzdro PGA s 273 vývody. Vyráběn byl technologií 0,8 mikronu. Díky této technologii měl 3,1 milionů tranzistorů. To však vedlo k silnému zahřívání a nutnosti aktivního chlazení. Protože první generace byla navržena na patici socket 4, mohl být počítač modernizován jedině procesorem Pentium Overdrive, který měl dvojnásobnou frekvenci něž původní pentium. Žádné jiné procesory socket 4 nepodporovaly. Pentium druhé generace Uvedení na trh proběhlo 7. Března První verze byly na frekvencích 90 a 100MHz a byly vyráběny 0,6mikronovou technologií. Verze pro 75 MHz následovala ve velmi krátké době. Postupně se vyráběly verze ve frekvencích 120, 133, 150, 166 a 200MHz vyráběné 0,35 mikronovou technologií. V důsledku použití nové technologie se procesory zmenšily a došlo ke snížení napájení z 5V na 3,3V. Poslední verze pak měly příkon pouhých 15,5W. Kromě toho vzrostl počet tranzistorů na 3,3 mil. a byly přidány obvody pro správu napájení APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller) a rozhraní pro dva procesory. Druhá generace měla pouzdro SPGA s 296 vývody.

12 APIC a rozhraní pro dva procesory umožňovaly provoz dvou procesorů na jedné desce. Proto se vyrábělo mnoho desek se dvěma paticemi socket 7. Softwarová podpora dvouprocesorových systému byla zahrnuta ve Windows NT a OS/2. Další velkou změnou bylo to že procesory běžely na násobku frekvence základní desky. Základní desky běžely na 66MHz a například procesor Pentium 166 běžel na 2,5x násobku. Nejvýkonnější procesor druhé generace byl nakonec Pentium 266 l, který běžel na 4x násobku. Pentium MMX Třetí generace byla uvedena na trh v lednu Hlavní změnou bylo přidání podpory technologie MMX a zvětšení kódové cache na 16KB. Vzrost počet tranzistorů na 4,5 mil. a přestože výrobní technologie zůstala na 0,35 mikronu, kleslo napájecí napětí na 2,8. Pentium MMX bylo vyráběno na patici socket 7 dovybavené regulátorem napětí VRM. Procesory 6. generace Pentium Pro Procesor je umístěn v pouzdře s 387 vývody, určené pro patici socket 8. Jedinečnost procesoru spočívá v tom, že obsahuje dvě oddělená jádra. Jedno obsahuje samotný procesor a druhé L2 cachce o velikostech 256, 512 či 1MB. Jádro pak obsahuje celkem 16KB L1 cache, z nichž 8KB tvoří dvoucestnou asociativní cache pro instrukce a zbylých 8KB tvoří čtyřcestnou asociativní cache pro data. Další změnou procesoru je přidání druhé sběrnice pro cache(architektura DIB), umožňující chod L2 cache na plné rychlosti jádra. Jistě stojí za zmínku způsob napájení procesoru. Procesor není napájen stabilním napětím, jak tomu bylo doposud. Napájecí napětí je určováno čtveřicí VID vývodů které slouží buď ke spojování nebo zkratování. Kombinací spojení se určuje velikost napětí od 3,5 po 2,1 V, kdy 0000 jen 3,5V, ,4V, atd. Kombinace 1111 je určena pro detekci přítomnosti procesoru v patici. Pentium II Tato řada byla uvedena na trh v květnu roku Jedná se o procesor shodný s Pentiem Pro. Hlavním rozdílem je přidání podpory technologie MMX. Z hlediska vzhledu se však jedná o zcela nový procesor. Tento typ byl prvním procesorem umístěným do pouzdra SEC s hranovým kontaktem. Vyráběl se ve dvou verzích pouzdra označených SECC a SECC2. Rozdíl byl v tom že SECC zcela zakrýval procesor z obou stran kdežto SECC2 jen z jedné strany, výhody pro SECC2 byly cena a lepší odvod tepla. V průběhu prodeje se přešlo na výrobní technologii 0,25 mikronu, vzrostl počet tranzistorů na 7,5 milionu a nejvýkonnější PII zvládaly 450MHz při 2V napájení. Velikosti L1 cache byla 2* 16KB a L2 max. 512KB.

13 Celeron Jedná se o procesor, jehož jádra jsou totožná s jádry procesorů P II a později P III. Přestože byl procesor určen pro trh s levnějšími počítači, je jeho výkon velmi dobrý. Díky vynikajícímu návrhu paměti cache Celeron překonává na stejné rychlosti P II. Hlavním rozdílem mezi celeronem a PII/PIII je návrh paměti cache a pouzdro. První celerony byly umísťovány do pouzder SEPP. Toto pouzdro je podobné s SECC. Hlavní rozdíl je v tom že nepoužívá žádný plastový kryt. Později se přešlo z důvodů konkurence na výrobu do pouzdra PPGA nebo FC-PGA určeného pro patici Socket 370 (370 vývodů). Procesory o frekvenci do 300MHz byly výhradně v pouzdře SEPP, v rozmezí byly umísťovány do obou typů a všechny rychlejší už jen do PPGA. Procesory do 300MHz neobsahovaly L2 cache vůbec. Vyšší pak 128KB. L2 cache pak umožňovala adresovat až 4GB RAM a podporovala ECC. Pro rychlosti MHz se používalo jádro PII a nad 533 pak PIII. Podporuje dynamické vykonávání instrukcí. Původní verze byly navrženy pro desky se základní frekvencí 66 MHz novější verze pak pro 100MHz. Procesory zahrnují standardně podporu MMX technologie, verze nad 533MHz i podporu SSE. L1 cachce má velikost 32 KB, 16 pro instrukce a 16 pro data. Dále měly celerony integrovaný čidlo pro monitorování teploty. Celerony postavené na PIII-kách mají ve skutečnosti L2 cache o velikosti 256 KB ale 128 je zpřístupněno. To bylo z důvodu výroby dvou procesorů podle stejné masky. Výrobní technologie byly 0,25 a 0,18 mikronů. Pentium III Poprvé byl uveden na trh v únoru 1999 a jeho architektura přinesla několik vylepšení. Nejdůležitější bylo rozšíření instrukční sady o 70 nových instrukci podporujících technologii SSE, které znatelně zvyšovaly výkon procesoru při zpracování obrazu, zvuku či rozpoznávání řeči. Původně byl vyráběn 0,25 mikronovou technologií, jádro obsahovalo 9,5 milionu tranzistorů, procesor byl umístěn v pouzdře SECC2. Paměť L2 cache měla velikost 512 KB, pracovala na poloviční rychlosti jádra a byla umístěna mimo jádro. Po přechodu na 0,18 mikronovou technologii se L2 cache přesunula do jádra, měla velikost 256 KB ale rychlost byla shodná s jádrem, procesor byl umístěn do pouzdra FC-PGA. V obou případech byl procesor schopen adresovat 4GB paměti RAM a podporoval kód pro opravu chyb ECC. Procesory existovaly ve verzích MHz a bylo je

14 možné použít ve dvouprocesorových systémech kde mohli adresovat až 64GB systémové RAM. Pentium II/III Xeon Jsou to speciální verze procesorů PII a PIII určené pro grafické stanice a servery. Od svých vzorů se liší hlavně třemi vlastnostmi. První je umístění do zvětšeného pouzdra SEC. Hlavním důvodem pro zvětšení je potřeba umístit na desku větší a rychlejší paměti cache. A to jsou další dva rozdíly. Cache měla velikost až 2MB. Přestože u některých verzí procesorů PII/PIII pracovala cache na poloviční frekvenci jádra, u XEONu pracovala vždy na stejné frekvenci jádra. Takto velká cache byla schopna adresovat 64BG paměti RAM. Procesory 7. Generace Itanium Měl to být první 64 bitový procesor. Počátek vývoje spadá do roku 1994 ale na trh se první verze dostaly až v roce Procesor využíval velmi dlouhá instrukční slova, předpovídání instrukcí, eliminaci větvení, spekulativní načítání a další technologie umožňující spravovávání více instrukcí současně. Procesor obsahuje prvky CICS i RISC architektury. Procesor byl vyráběn 0,18 mikronovou technologií a obsahoval 100 milionů tranzistorů. Intel pro něj vyvinul nový typ pouzdra nazvaného PAC Pin array cartridge. Pouzdro obsahuje tří úrovňovou paměť cache, z nichž L3 dosahovala velikosti několik MB.