Компютърна система с процесор Intel Pentium, Socket 7 Процесорът Intel Pentium

1. 
   Процесорът Intel Pentium
   

Петото поколение процесори на Intel (с кодово име Р5) се нарича Pentium, a не 586, както всички са очаквали, следвайки логиката на именуване на дотогавашните поколения процесори. Причината е, че Intel откриват, че не могат да използват цифрово означение като запазена марка. С това фирмата иска да предотврати възможността другите производители да предлагат собствените си процесори със същото означение като това на INTEL.

Първият Pentium чип e произведен на 22 март 1993 година. Няколко месеца по-късно се появяват и системите, които го използват. На 7 март 1994 г. е представено второто поколение на процесорите Pentium. По-късно се появяват и процесорите от трето поколение MMX.

Pentium процесорът е напълно съвместим с предишните процесори на Intel, но в много отношения се различава от тях. Не става дума за добавянето само на някои компоненти, както е при прехода от 386 към 486, а за нова вътрешна структура на процесорите. Най-съществената разлика е, че Pentium включва два конвейера за данни, което му позволява да изпълнява две инструкции едновременно. 486 процесорите и техните предшественици могат да изпълняват само по една инструкция в даден период от време. Способността да се изпълняват по две инструкции по едно и също време Intel наричат суперскаларна архитектура. Тази технология осигурява допълнителна производителност спрямо 486 процесора.

PGA = Pin grid array —решетъчно разположение на изводите

SPGA — Staggered pin grid array – шахматно решетъчно разположение на изводите

1.3 Особености в архитектурата на процесора Pentium

1. Два конвейера за инструкции

Както беше упоменато по-горе, най-съществената особеност на Pentium са двата конвейера за инструкции. Те се наричат u-конвейер и v-конвейер. U-конвейерът, който е главният, може да изпълнява всички целочислени инструкции и инструкции с плаваща запетая. V-конвейерът е вторичен конвейер, който може да изпълнява само прости целочислени инструкции и конкретни инструкции с плаваща запетая. Процесът на изпълняване на две инструкции едновременно се нарича съединяване по двойки (pairing). He всички последователни инструкции могат да бъдат изпълнявани две по две, и когато това не е възможно, се използва само u-конвейерът. За да се оптимизира работата на Pentium процесора, софтуерът може да се прекомпилира така, че повече двойки инструкции да бъдат изпълнявани едновременно.

Pentium процесорът притежава буфер за възможните преходи в програмата - ВТВ (branch target buffer), който използва техника, наречена предсказване на преходи. Тя намалява престоите на конвейерите, причинени от забавяне при извличане на инструкции, които се разклоняват в непоследователни области от паметта. ВТВ буферът се опитва да предскаже дали ще се извърши преход в програмата, след което извлича подходящите инструкции. Използването на техниката за предсказване на преходи позволява на процесора да поддържа и двата конвейера максимално натоварени.

Pentium има 32-битова адресна шина, която позволява адресирането на 4GB памет, както е при 386 и 486 процесорите. При Pentium обаче шината за данни е 64-битова, което означава, че той може да прехвърля два пъти повече данни, отколкото един 486 процесор със същата тактова честота. 64-битовата шина за данни изисква достъпът до системната памет да се осъществява с ширина 64 бита, така че всяка банка памет е 64-битова.

При повечето дънни платки паметта се инсталира чрез SIMM модули или DIMM модули. SIMM-овете са налични в 8-битови или 32-битови версии, докато DIMM-овете са с ширина 64 бита. Съществуват и памети с допълнителен бит за контрол по четност или код за поправяне на грешки (error correcting code - ЕСС). Повечето Pentium системи използват SIMM-ове с ширина 32 бита - по два за една банка памет. Повечето от дънните платки за Pentium притежават поне четири цокъла за тези 32-битови SIMM модули, което ще рече две банки памет. По-късните Pentium системи и повечето Pentium II системи използват DIMM модули, които са 64-битови – точно както външната шина за данни на процесора, така че в една банка се използва само един модул. Това прави инсталирането или надграждането на паметта доста по-лесно, защото DIMM модулите могат да се инсталират всеки сам за себе си и не е необходимо да съвпадат по двойки.

Въпреки че Pentium има 64-битова шина за данни, по която се прехвърлят едновременно 64 бита информация към и от процесора, вътрешните регистри на Pentium са 32-битови. При вътрешната обработка на инструкциите, те се разбиват на 32-битови инструкции и данни, след което се обработват както при процесора 486, т.е. Pentium е напълно съвместим с процесора 486.

Pentium има два отделни вътрешни кеша от по 8KB, за разлика от 486, който има един вътрешен кеш от 8KB или 16KB. Кеш контролерът и кеш паметта са вградени в самия чип. Кешът съдържа точно копие на информация, намираща се в RAM паметта, като могат да бъдат кеширани данни и инструкции от различни области от паметта.

Отделните кешове за инструкции и данни са организирани като двупосочен асоциативен кеш, като всяка от двете части (посоки) се разделя на редове от по 32 байта. Всеки кеш има собствен буфер за динамични транслации (translation lookaside buffer - TLB), който преобразува адресите от редовете (виртуалните линейни адреси) във физически.

Кешът на Pentium също така може да отлага записването на данните в паметта, докато процесорът и останалите системни компоненти не станат по-малко натоварени. За да се гарантира, че процесорът работи с актуални данни, съдържанието на кеша винаги трябва да бъде в синхрон със съдържанието на основната памет. При операции за запис тази синхронизация може да се изпълнява незабавно (write-through) или отложено (write-back).

Процесорите 486 извършват всички записи в паметта директно (write-through), т.е. когато процесорът записва информация в кеша, тя незабавно се записва и в основната памет.

Новото при процесорите Pentium е, че притежават кеш с отложен запис (write-back). При операции за запис в write-back режим, първо се актуализират данните в кеша, при което в кеш-контролера се установява т.нар. Dirty Bit (мръсен бит), който указва, че данните в кеша не съответстват на данните в паметта. Данните в паметта се актуализират едва при изваждането на съответните данни от кеша. Използването на write-back режима намалява обмена между процесора и системната памет - важно подобрение, защото обръщенията към системната памет са най-тесният участък при бързите системи.

Дали да се използва режима write-back или write-through, се задава в BIOS Setup.

Кешът за код е защитен от запис, защото той съдържа само инструкции за изпълнение, а не данни, които се обновяват.

Системите с Pentium процесори могат значително да повишат бързодействието си, като използват вторични процесорни кешове (L2), които обикновено се състоят от 512 KB или повече изключително бързи SRAM чипове (с време за достъп 15 ns и по-малко). Когато процесорът извлича данни, които не се намират във вътрешния му кеш (L1), състоянията на изчакване го забавят. Но ако данните вече се намират във вторичния кеш, процесорът може да продължи своята работа, без да добавя състояния на изчакване.

За постигане на високата очаквана производителност, в Pentium e използвана BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor) технология и суперскаларна архитектура. BiCMOS усложнява конструкцията на процесора с около 10%, но пък се добавя около 30-35% по-добра производителност, без да се увеличават размерите или консумираната енергия.

Всички Pentium процесори са SL разширени - те включват SMM³ за осигуряване на всички енергоспестяващи функции, допринасящи за намаляване на консумираната мощност. Процесорите Pentium от второ поколение (75MHz и по-бързи) включват подобрен SMM c управление на честотата на процесора. Това ви позволява да ускорявате или да забавяте работата на процесора, за да контролирате консумацията на енергия. Възможно е дори да спрете тактовата честота, при което процесорът изпада в режим на преустановяване на работа (suspend) и консумира много малко енергия. Второто поколение Pentium процесори работят със захранване 3,3V (вместо на 5V), което още повече намалява консумираната енергия и съответно отделянето на топлина.

За още по-ниска консумация на енергия Intel представят специални Pentium процесори от фамилията 75-266MHz. които използват технология за намаляване на напрежението. Тези процесори са предназначени изключително за мобилни системи.

8. Вграден математически копроцесор

Pentium процесорът, както и 486, съдържа вграден математически копроцесор или устройство за операции с плаваща запетая - FPU. Копроцесорът на Pentium е пренаписан и се представя значително по-добре от този на 486, като запазва съвместимостта си с 486 и 387 копроцесорите. Той е от 2 до 10 пъти по-бърз от копроцесора на 486.

Създадени са три поколения на процесора Pentium (P5):

• 
  първо поколение - 60 и 66 MHz с работно напрежение 5 V. Работи с множител 1х, т.е на честотата на системната шина. Използва се 0,8-микронен BiCMOS процес; Недостатък е, че се получава кристал с изключително големи размери, който е доста сложен за производство. Освен това, консумацията на енергия е много голяма и се отделя огромно количество топлина.
  
• 
  второ поколение - 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 MHz. Работят с множител 1.5х до 3х, като дънните платки за тези процесори имат настройки за честота на системната шина 50MHz, 60MHz и 66MHz. Използва се 0,6-микронна (версиите до 100 MHz), а във версиите 120 MHz и нагоре - 0,35-микронна BiCMOS технология. Намаленият размер на кристала води до понижен разход на енергия и по-малко топлоотделяне. Освен това по-новите процесори работят с по-ниско напрежение. Второто поколение Pentium процесори са пакетирани в 296-изводен SPGA корпус, който е физически несъвместим с този на първото поколение. Второто поколение Pentium процесори също така имат 3,3 милиона транзистора - 0,2 милиона повече от по-ранните чипове. Тези транзистори се използват за допълнително управление на честотата на процесора чрез SL разширенията⁴, за вградения усъвършенстван програмируем контролер на прекъсванията (APIC - advanced programmable interrupt controller)⁵, a също и за интерфейса за двупроцесорна конфигурация.
  
• 
  трето поколение – ММХ процесори. Тези процесори имат подобрени мултимедийни възможности, като позволяват да се изпълни една инструкция над множество данни (SIMD – Single Instruction Multiple Data) и освен това са добавени нови 57 инструкции, проектирани специално за работа с видео, звук и графика.
  

2. 
   Цокли за процесори Pentium
   

За оригиналните процесори Pentium на 60 и 66 MHz се използва Socket 4, който е с 273 извода, разположени решетъчно в редове и колони и напрежение 5 V (фиг .1).

По-новите процесори Pentium 75, 90 и 100 MHz работят с напрежение 3.3 V и за тях е конструиран нов цокъл Socket 5. Той има 320 извода, разположени шахматно, което позволява разполагане на повече изводи върху същата площ. От тях Pentium 75 и по-новите процесори ползват само 296. Допълнителните изводи се ползват от процесори OverDrive, които надграждат системи, в които са поставени по-стари процесори Pentium.

Socket 7 по същество е същият като Socket 5, но има един допълнителен ключов извод на срещуположния вътрешен ъгъл на съществуващия ключов извод, т.е. Socket 7 има 321 извода при 21x21 шахматна (SPGA) подредба (фиг .1). Същинската разлика при Socket 7 обаче не се изразява в самия цокъл, а в придружаващия го модул за регулиране на напрежение (VRM - voltage regulator module), който задължително трябва да присъства на дънната платка. VRM модулът представлява или отделна платка, или група от схеми, вградени в дънна­та платка, които осигуряват правилното ниво на напрежение и регулират захранването на процесора.

Главната причина за съществуването на VRM модула е, че Intel и AMD искат да понижат подаваните от захранването към цокъла напрежения 3,3V или 5V. Вместо да изисква специализирани захранващи блокове за различните процесори, VRM модулът конвертира стандартните 3,3V или 5V в подходящо напрежение за конкретния процесор, който се изпол­зва. Intel пускат различни версии на Pentium и Pentium MMX процесорите, работещи на 3,3V (наречени VR), 3,465V (наречени VRE) и 2,8V. Еквивалентните процесори на AMD, Cyrix и други производители използват различни вариации от 3,3V, 3,2V, 2,9V, 2,4V, 2,3V, 2,2V, 2,1V, 2,0V, 1,9V или 1,8V. Поради голямото многообразие от напрежения, които трябва да се поддържат за различните процесори, повечето производители на дънни платки започват да включват VRM цокли или да вграждат настройваеми VRM модули в своите изделия.

Фиг. 1 Разположение на изводите на Socket 7 - 21x21 шахматна (SPGA) подредба.

AMD, заедно със Cyrix и няколко производителя на чипсети правят няколко подобрения на Socket 7 конструкцията на Intel и наричат новия дизайн Super Socket 7 (или Super7), като повишават честотата на процесорната шина от 66MHz до 95MHz и 100MHz. Това позволява изграждането на по-бързи Socket 7 системи, които по произво­дителност се доближават до Slot 1 и Socket 370 системите, използващи процесори на Intel. Super7 системите също така имат поддръжка на видео шината AGP, контролери за Ultra DMA харддискове, както и разширено управление на консумираната енергия (ad­vanced power management).

Основно предимство на цокъла Socket 7 е неговата универсалност:

• 
  модул за регулиране на напрежение (VRM), позволяващ широк диапазон на захранващи напрежения (от 3.5 до 2.5 V).
  
• 
  поддръжката на широк диапазон от скорости – от 75 до 233 MHz
  
• 
  поддръжката на широк диапазон от процесори на различни производители: AMD K5 и K6, Cyrix 6x86 и 6x86MX, IDT WinChip, Intel Pentium (2.5 V до 3.5 V, 75 to 200 MHz), Pentium MMX (166 до 233 MHz) и Rise Technology mP6.
  

3. 
   Компютърна система с процесор Intel Pentium, Socket 7
   

От системите с процесори Pentium и нагоре доминираща роля в пазара на чипсета има Intel. Заедно с разработването на процесори, те разработват и съответните чипсети за тях, което им позволява бързо внедряване и владеене на пазара. Чипсетите на Интел за процесори Pentium са от серията 430 хх.

Първият чипсет на Интел за Pentium е 430LX (Меркурий). Когато първият Pentium процесор дебютира през 1993 година, едновременно с него Intel представят и чипсета 430LX, както и напълно завършена дънна платка. Този чипсет се използва само с оригиналните Pentium-и, които работят на 60MHz и 66MHz. Te са 5-волтови чипове и се използват на дънни платки с процесорни цокли тип Socket 4. Чипсетът 430LX се състои от общо три чипа, образуващи северния мост. Главният от тях е системният контролер 82434LX. Той съдържа интерфейса между процесора и паметта, кеш контролера и контролера на PCI шината. Има и една двойка чипове за ускоряване на интерфейса на PCI шината, които са два еднакви 82433LX чипа.

Чипсетът 430LX се характеризира със следното:

• 
  Един процесор
  
• 
  Поддръжка на до 512 KB L2 кеш
  
• 
  Поддръжка на до 192 MB стандартна DRAM памет с бърз страничен режим (FPM - fast page mode)
  

Чипсетът 430NX се състои от три чипа, изграждащи северния мост: един главен и двойка чипове, наречени ускорители на локалната шина. Главният включва кеш контролера и контролера на основната (DRAM) памет, както и управляващия интерфейс към PCI шината. Южният мост, използван в чипсета 430NX, е чипът 82378ZB за системен вход/изход (System I/O - SIO).

Чипсетът 430NX въвежда следните подобрения спрямо предишния чипсет Mercury (430LX):

• 
  Поддръжка на два процесора
  
• 
  Поддръжка на 512МВ системна памет (до 192MB за LX чипсета Mercury)
  

Решението за нисък клас компютри, т.е. за домашни системи или за системи с не особено голяма отговорност се появява по-късно, през януари 1995 година, с въвеждането на чипсета 430FX (Тритон). Чипсетът 430FX (Triton) става известен с това, че е първият, който поддържа EDO памет, която е с около 21% по-бърза от стандартната памет с бърз страничен режим (FPM - fast page mode). За съжаление, Triton чипсетът става известен и като първият чипсет за Pentium без поддръжка на проверка по четност на паметта. Това е удар срещу надеждността на РС-тата и тяхната отказоустойчивост. Друг сериозен недостатък е, че чипсетът 430FX може да кешира само до 64MB от основната памет. И така, ако се инсталира повече от 64MB RAM в системата, производителността пада значително, тъй като операционната система се зарежда в паметта отгоре надолу и практически тя и част от приложния софтуер попадат в бавната некеширана област.

Основните компоненти на чипсета Тритон са четири:

• 
  системен контролер TSC (Triton System Controller) – съдържа контролери на паметта DRAM и кеш. Управлява обмена на данните между процесора, кеш паметта, DRAM и шината PCI.
  
• 
  два чипа TDP (Triton Data Paths), които отговарят за буферирането и предаването на данни no PCI шината.
  
• 
  южен мост PIIX. Действа като мост между 33MHz PCI шина и по-бавната 8MHz ISA шина. Съдържа двата контролера за DMA, контролерите за прекъсванията, таймер-брояча, енергоспестяващите функции и двуканален IDE интерфейс. Свързването на IDE интерфейса към южния мост е съществена новост. Дотогава той е бил свързан към ISA шината. Чрез южния мост IDE интерфейсът вече се свързва с PCI шината, което позволява осъществяването на по-бързи трансфери през него. Това е ключът към поддръжката на АТА-2 или подобрения (Enhanced) IDE интерфейс за по-добра производителност на твърдите дискове.
  

• 
  Поддръжка на EDO памет
  
• 
  Поддръжка на високоскоростен конвейерен L2 кеш с пакетен режим (т.нар.
  pipelined burst L2 кеш)
  
• 
  РІІХ¹ южен мост с интегриран високоскоростен Bus Master IDE интерфейс.
  
• 
  Липса на поддръжка за проверка по четност на паметта
  
• 
  Поддръжка само на един процесор
  
• 
  Поддръжка на максимум 128MB RAM, като от нея могат се кешират само 64MB
  

фиг. 2 Блок-схема на компютърна система с чипсет Тритон и процесор Pentium

Чипсетът на Intel 430HX (Triton II) е истински заместник на мощния 430NX чип. Той съчетава най-добрите черти на 430NX и 430FX, като добавя и нова функционалност. Освен отлична производителност, той предлага и висока надеждност, тъй като поддържа освен проверката по четност на паметта също и ЕСС (error correcting code - код за коригиране на грешки), която открива и възстановява еднобитови грешки на момента. Това го превръща в най-добрия чипсет за Pentium процесори, препоръчван за професионални компютри с отговорно приложение, като например файлови сървъри, сървъри за бази данни, бизнес системи и т.н.

Основните му характеристики са следните:

1. Висока производителност

• 
  поддръжка на симетрична многопроцесорност (два процесора);
  
• 
  поддръжка на EDO памет, която е по-производителна с 21% от FPM паметта;
  
• 
  поддръжка на конвейерен L2 кеш с пакетен режим на предаване (pipelined burst L2 кеш).
  
• 
  трансфери от и към паметта с по-малко на брой цикли;
  
• 
  съвместимост със стандарта PCI 2.1, което позволява едновременни операции по PCI шината;
  

• 
  Максимум 512MB RAM памет (срещу 128МВ при FX)
  
• 
  L2 кешът функционира за всичките 512MB RAM срещу 64MB при FX (стига да е инсталирана допълнителна тагова кеш памет⁶)
  

• 
  проверка по четност на паметта
  
• 
  поддръжка на ЕСС (error correcting code)
  

• 
  южният мост РІІХ3 позволява независима синхронизация на двата IDE канала. Това означава че ако са инсталирани две устройства с различни скорости на един и същи канал, те могат да работят с различни трансферни скорости. Предишните РІІХ чипове позволяват двете устройства да работят с еднаква скорост, равна на скоростта на по-бавното устройство;
  
• 
  южният мост РІІХ3 поддържа USB. За съжаление, по онова време липсват каквито и да било USB устройства, които да могат да се закачат към този порт, а и не съществуват операционни системи или драйвери, които да поддържат USB шината.
  

• 
  едночипов северен мост
  
• 
  компактен BGA корпус (ball grid array - решетъчно разположени топчести изводи), при който изводите са конфигурирани като топченца от долната страна на корпуса
  

• 
  Поддръжка на 66MHz SDRAM
  
• 
  Поддръжка на Ultra-ATA, или Ultra-DMA 33 (UDMA) за прехвърляне на данни по IDE каналите
  
• 
  По-ниска консумация на енергия при използване в мобилни системи
  

На фиг. 3 е показана компютърна система с 430ТХ - последния чипсет за процесори Pentium.

фиг. 3 Блок-схема на компютърна система с чипсет 430ТХ и процесор Pentium

Архитектурата на дънната платка е „Северен-южен мост”.

Северният мост се състои от един чип. Той свързва процесора с оперативната памет и кеша от второ ниво. Подобно на чипсета 430VХ е осигурена поддръжката на SDRAM, която е по-бърза от популярната EDO памет.

Графичната карта се поставя в PCI слот и работи със скоростта на PCI шината. Това е недостатък, причиняващ тясно място в системата. Този проблем е решен по-късно в компютърните системи с процесори Pentium II, в които за да се повиши бързодействието на видеосистемата, графичната карта се свързва с локалната шина (процесорната шина) чрез ускорения графичен порт AGP.

Северният мост се свързва с южния мост чрез 32-битовата шина PCI 33 MHz, осигуряваща пропускателна способност 133 MB/s.

Южният мост съдържа двата контролера за DMA, контролерите за прекъсванията, таймер-брояча, енергоспестяващите функции и двуканален IDE интерфейс. Към южния мост са свързани високоскоростни твърди дискове и оптични устройства (CD-ROM), до две на всеки IDE канал – общо 4. В разглежданата система с чипсет 430ТХ южният мост е PIIX4, който също като PIIX3 поддържа независима синхронизация на двата IDE канала, както и новата серийна шина USB с 1 контролер и два порта, но при него се поддържа по-бързия режим Ultra-DMA 33 за работа с дискови устройства и е вградена CMOS/RAM паметта. В по-старите системи CMOS-RAM паметта е вградена в Super I/O чипа, а не в южния мост. Южният мост се свързва чрез ISA шината (8 MHz, 8 MB/s) към входно-изходния контролер (супер I/O чипа).

Супер I/O чипът осъществява връзка с Flash ROM BIOS, наличните флопидискови устройства и бавните периферни устройства, свързани към PS/2 портовете (клавиатура и мишка), паралелния и серийния порт.