Микропроцессор Pentium выпускался с 1993 г. Имеет 32-разрядную архитектуру и 64-разрядную шину данных и адреса, за счет чего может адресовать до 16 Терабайт 2⁶⁴?16*10¹⁸) оперативной памяти.
Скалярным называют процессор с единственным конвейером, к этому типу относятся все процессоры Intel до 486 включительно. Суперскалярный (superscalar) процессор имеет более одного конвейера, что позволяет обрабатывать несколько инструкций параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), процессоры от Pentium-II до Pentium-4 — трехпотоковые. В Pentium’е было введено раздельное кэширование кода и данных. Pentium содержит два блока кэш-памяти: один для кода и один для данных, каждый по 8 Кбайт. При этом становится возможным одновременный доступ к коду и данным, что увеличивает скорость работы компьютера.Выпускался с 1993 г. Тактовая частота 66 и 60 МГц. По базовой регистровой архитектуре и системе команд он является 32-разрядным процессором, но имеет 64-битную шину данных. Шина адреса позволяет адресовать 4 Гигабайта физической памяти. 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 двух процессоров на одной шине.
Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря которым две команды могут быть выполнены за один такт синхронизации. Pentium имеет также два раздельных кэша по 8 Кбайт: один — для команд, другой — для данных. Pentium — первый массовым процессор Intel с суперскалярной архитектурой и динамическим предсказанием переходов в исполняемых программах. В Pentium была существенно повышена производительность модуля вычислений с плавающей запятой, добавлена аппаратная поддержка самотестирования, текущего контроля производительности и расширенной отладки. Благодаря встроенному в Pentium контроллеру прерываний многопроцессорных систем получили распространение двухпроцессорные серверы и рабочие станции на его основе.
Pentium с тактовой частотой 66 МГц имел производительность около 112 MIPS. Выпускались версии Pentium второго поколения с тактовыми частотами от 75 до 200 МГц и напряжением питания 3,3 В, построенные с использованием 0,6- и 0,35-? технологии.В 1995 г. Intel выпустил микропроцессор Pentium Pro. В его основе лежит комбинация технологий Dynamic Execution: многократное предсказание ветвлений (multiple branch prediction), анализ потоков данных (data flow analysis) и эмуляция выполнения инструкций (speculative execution). Глубина конвейера составляет 14 ступеней (в Pentium 5 ступеней), благодаря чему на исполнение одной команды в среднем приходится на 33 % меньше времени. В Pentium Pro впервые реализована архитектура DIB (Dual Independent Bus) — независимая двойная шина. Одна шина, работающая на частоте процессора, связывает процессор и встроенную кэш-память, другая, работающая на внешней тактовой частоте 60 или 66 МГц, — процессор и системную плату. В Pentium Pro впервые введена 128-разрядная внешняя шина данных.
В корпусе микросхемы размещены два кристалла — собственно процессор и кэш-память второго уровня объемом от 256 до 1024 Кбайт, работающая на частоте процессора. На кристалле процессора расположен 16-Кбайтный кэш. В семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовыми частотами от 150 до 200 МГц. Pentium Pro поддерживает 2-х и 4-процессорные конфигурации, а также позволяет строить системы с числом процессоров более 4 с применением технологий кластеризации. Pentium Pro имеет 36-разрядную шину адреса и способен адресовать до 65 Гбайт оперативной памяти. Недостатком объединения в одном корпусе двух отдельных микросхем (собственно процессора и кэш-памяти второго уровня) является высокая стоимость производства, поскольку при наличии дефекта только в одной из них приходится отбраковывать весь процессор.
Препятствием к дальнейшему повышению тактовой частоты являлась высокая стоимость изготовления микросхем кэш-памяти, способных работать на одной частоте с процессором. Микросхема Pentium Pro 150 выпускалась по 0,6-? технологии, остальные процессоры с более высокой тактовой частотой выпускались с использованием 0,35-? технологии. Напряжение питания процессора 3,3 В.
Процессор был оптимизирован для выполнения 32-разрядных инструкций и демонстрировал максимальную производительность под 32-разрядными операционными системами (Windows NT, OS/2, UNIX). 16-разрядные инструкции вызывали частую перезагрузку конвейера, что приводило к меньшей производительности этого процессора в 16- и 16/32-разрядных ОС (MS DOS, Windows 3.1/3.11, Windows 95).
Процессор Pentium Pro и наборы микросхем для него позволяли создавать многопроцессорные системы, основной областью применения этого процессора были высокопроизводительные сервера.С 1997 г. Intel начал производить процессор Pentium с технологией MMX — микропроцессор, в котором, впервые со времени выпуска i80386, произошло крупное расширение системы команд за счет включения 57 новых инструкций, разработанных для более эффективной работы с мультимедийными данными (MMX: Multi Media Extensions, расширения для мультимедиа). Новые инструкции ориентировались на параллельное исполнение повторяющихся последовательностей команд целочисленной арифметики, часто встречающихся при работе мультимедиа-приложений. В основе MMX лежал применяемый в процессорах цифровой обработки сигналов принцип SIMD (Single Instruction — Multiple Data, один поток команд — множество потоков данных), который состоял в применении одной инструкции для массива однородных данных. Для обработки MMX-инструкций используются регистры математического сопроцессора. Использование MMX-инструкций ускоряет работу программ обработки изображений, видео или звука на 50–400 %.
В Pentium MMX кэш первого уровня был расширен до 32 Кбайт и применялось более эффективное предсказание условных переходов, что позволило на 10–20 % повысить производительность процессора.
Pentium MMX выпускался с тактовой частотой от 120 до 266 МГц для настольных и мобильных систем. Процессоры использовали двойное напряжение питания: 2,8 В для ядра процессора (от 2,45 до 1,9 В в мобильных системах) и 3,3 В для схем обрамления, и были построены с использованием 0,35- и 0,25-? технологий.Pentium II был представлен в 1997 г. Добавление в ядро P6 блока обработки MMX-инструкций и вынесение из корпуса процессора кэш-памяти второго уровня резко снизило стоимость производства.
В Pentium II, объем кэш-памяти первого уровня увеличен до 32 Кбайт. 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня выполнены на отдельных серийных микросхемах BSRAM и смонтированы вместе с процессором на небольшой печатной плате. Использовалась архитектура независимой двойной шины DIB, но частота ее работы между процессором и кэш-памятью второго уровня уменьшена до половины от внутренней тактовой частоты процессора. Шаг назад по сравнению с Pentium Pro — снижение объема адресуемой памяти до 4 Гбайт (32-разрядная адресная шина), а также возможность создания только двухпроцессорных систем. Упрощение системной архитектуры позволило снизить цену на процессоры и добиться массового распространения Pentium II. Pentium II первого поколения выпускался с использованием 0,35-? технологии, имели тактовые частоты от 233 до 333 МГц и содержали 7,8 млн транзисторов (без учета кэш-памяти второго уровня). Напряжение питания первого поколения процессоров составляло 2,8 В.
Intel учел недостатки Pentium Pro, поэтому процессор Pentium II был оптимизирован как для 32-, так и для 16-разрядных приложений за счет сегментирования кэш-памяти первого уровня.
Дальнейшее развитие Pentium II привело к появлению трех различных семейств процессоров на основе архитектуры P6: Deschutes, Celeron (включая Mendocino) и Pentium II Xeon.
С 1998 г. Intel выпускает Pentium II второго поколения. Существовали модели с тактовыми частотами от 350 до 450 МГц для настольных и мобильных систем. За счет использования 0,25-? технологии и снижения напряжения питания до 2 В уменьшены размеры кристалла, его энергопотребление и себестоимость.Выпускался с 1998 г. Celeron представлял собой Pentium II второго поколения, лишенный кэш-памяти второго уровня. Изначально процессор позиционировался как экономичное решение. Celeron выпускался по 0,25-? технологии с тактовыми частотами 266 и 300 МГц.
Системная шина между памятью и процессором является узким местом при работе с большим коэффициентом умножения частоты и отсутствие кэш-памяти второго уровня существенно снижает производительность системы. С другой стороны, производительность компьютера сильно зависит от типа решаемой задачи. Приложения, активно работающие с большими объемами памяти (базы данных, инженерные и научные программы), на процессоре Celeron исполнялись неэффективно, в то время как офисные приложения и большинство компьютерных игр демонстрировали на нем производительность, немного уступавшую оригинальному Pentium II.
Чтобы ускорить продвижение Celeron на рынок и преодолеть его недостаточную производительность, Intel форсировал выпуск процессора со встроенной памятью 128 Кбайт с тактовыми частотами 300 и 333 МГц, который был назван Celeron 300A и 333, соответственно. Процессор выпускался по 0,25-? технологии. Так как кэш-память второго уровня была расположена на одном кристалле с процессором, ее частота повышена до полной частоты процессора. В результате наблюдался значительный прирост производительности новых Celeron.
С 1999 г. выпускается процессор Celeron (Celeron II) с ядром Coppermine (0,18m, питание 1,5 В). Размер вторичного кэша 128 Кбайт, частота шины 66 МГц, поддержка инструкций SSE.Процессор Pentium III (1999 г.) — дальнейшее развитие Pentium II. Главное отличие этого микропроцессора — расширение набора инструкций командами SSE (Streaming SIMID Extension), основанных на блоке 128-разрядных регистров XXM. 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 смешивать инструкции MMX с инструкциями над операндами с плавающей точкой. Появились новые возможности управления кэшированием. По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры были аналогичны своим предшественникам Pentium II и Pentium II Xeon. Частота ядра начинается с 500 МГц, частота системной шины 100 и 133 МГц. Вторичный кэш в первых моделях 512 Кбайт в виде отдельных микросхем.Процессор Pentium 4, по микроархитектуре принадлежит к 7 поколению процессоров Intel. Содержит расширение команд SSE2. По набору регистров повторяет процессор Pentium III. Микроархитектура процессора — NetBurst, разработана с учетом высоких частот как ядра (1,4 ГГц) так и системной шины (400 МГц). На одном кристалле расположена кэш-память двух уровней. Шина адреса 36-разрядная, что позволяет адресовать 64 Гбайта памяти, из которых кэшируется 4 Гбайта. Шина данных 64-разрядная. Напряжение питания 1,6 В.
АЛУ процессора работает на удвоенной частоте ядра. За каждый такт процессора выполняются две основные целочисленные команды. Обеспечена более высокая пропускная способность потока команд через исполнительную часть процессора и уменьшены различные задержки.


Гиперконвейер состоит из 20 ступеней. Цель увеличения конвейера — упрощение задач, реализуемых каждой из его ступеней и, как следствие, упрощение соответствующей аппаратной логики.

Улучшена технология динамического исполнения благодаря более глубокой «произвольности» в порядке исполнения кода и усовершенствованной системы предсказания переходов. Размер буфера меток и перехода увеличен до 4 Кбайт (Pentium III — 512 байт). Усовершенствован сам алгоритм предсказания. В результате вероятность правильного предсказания перехода возрастает до 95 %.
Отсутствует кэш команд первого уровня. Он заменен на кэш трассы (trace cache). Трассами называются последовательность микроопераций в которые были декодированы ранее выбранные команды. В этом кэше размещается до 12 К микроопераций. Кэш трасс доставляет исполнительному ядру до трех микроопераций за такт. Вторичный кэш, общий для инструкций и данных, имеет размер 256 Кбайт и 256-разрядную шину, работающую на частоте ядра. Первичный кэш данных (8 Кбайт) так же работает на частоте ядра.
Поддержка технологии Hyper Threading, которая на базе одного физического процессора позволяет моделировать несколько логических, каждый из которых имеет собственное архитектурное пространство.

1. Предположим, что имеется 20 линий адреса и 16 линий данных:
   1. определите адресное пространство памяти, если адресные пространства памяти и ввода-вывода различны;
   2. каков диапазон целых чисел в дополнительном коде, которые можно передавать по линиям данных?
2. Предположим, что имеется 16 линий адреса и 8 линий данных:
   1. определите адресное пространство памяти, если адресные пространства памяти и ввода-вывода различны;
   2. каков диапазон целых чисел в дополнительном коде, которые можно передавать по линиям данных?

Миниатюры

     

   

14