Компютърни системи с 64-битови процесори на amd k8

Процесорите AMD Athlon 64 и 64 FX, с кодово име ClawHammer са въведени през септември 2003 г. Те са първите 64-битови процесори за настолни компютри (но не и за сървъри). Принадлежат към семейството на 64-битовите процесори на AMD, което включва сървърния процесор Opteron, с кодово име SledgeHammer. Всъщност това са чипове Opteron, които са проектирани за еднопроцесорни системи и в някои случаи имат намален кеш или памет с намалена пропускателна способност.

Фиг. 1 AMD Athlon 64 FX (за цокъл Socket 939).

При 64-битовите процесори на AMD се добавят 64-битови изчислителни възможности към съществуващата x86 архитектура. Това 64-битово разширение на набора инструкции за x86 е представено от AMD под името x86-64, а по-късно се нарича AMD64. То е напълно обратно съвместимо с 32-битовия код, без намаляване на производителността. Този подход е алтернатива на коренно новата архитектура IA-64 на Intel и Hewlett Packard, която е несъвместима с архитектурата х86.

• 
  64-битови възможности за целите числа: Всички регистри за обща употреба са разширени от 32 на 64 бита и всички аритметични и логически операции, операции „памет към регистър” и „регистър към памет” могат да работят директно с 64-битови цели числа. Поставянията и свалянията на данни от стека са винаги в 8-байтови крачки и указателите са широки 8 байта.
  
• 
  Допълнителни регистри. Като допълнение към увеличения размер на регистрите за обща употреба, броят на именуваните регистри за обща употреба е увеличен от 8 (eax, ebx, ecx, edx, ebp, esp, esi, edi) при 32-битовата архитектура, на 16 (rax, rbx, rcx, rdx, rbp, rsp, rsi, rdi, r8, r9, r10, r11, r12, r13, r14, r15). Следователно е възможно да се съхраняват повече локални променливи в регистрите, отколкото в стека, и се позволява на регистрите да държат често използвани константи. Аргументите за малки и бързи процедури могат също да бъдат подадени в регистрите в по-голям обхват. При все това AMD64 има значително по-малък брой регистри в сравнение с други 64-битови машини като RISC ISA (32-64 регистъра) или Itanium (128 регистъра)
  
• 
  Допълнителни XMM (SSE) регистри: Броят на 128-битовите XMM регистри (използвани за Streaming SIMD инструкциите) също е увеличен от 8 на 16
  
• 
  По-голямо пространство на виртуални адреси: При 32-битовите x86 то е 4 GB¹ (2³² байта), а при AMD64 е увеличено на 256 TB (2⁴⁸ байта), с възможности за увеличение в бъдещи реализации до 16 EB (2⁶⁴ байта).
  
• 
  По-голямо пространство на физическите адреси: При 32-битовите x86 то е 64 GB (2³⁶ байта). Athlon 64 и 64 FX могат да адресират до 1 TB RAM, а последните реализации (от AMD К10 нагоре) могат да адресират до 256 TB (2⁴⁸ байта) RAM, а архитектурата позволява разширяване до 4 PB (2⁵² байта).
  
• 
  Указателят към инструкциите е относителен спрямо достъпа до данните: Инструкциите могат сега да се обръщат към данните спрямо указателя на инструкции (RIP регистър). Това прави независимия от позицията код ² по-ефективен.
  
• 
  SSE инструкции: Оригиналната AMD64 архитектура възприема SSE и SSE2 като инструкции на ядрото. Инструкциите SSE3 са добавени през април 2005. SSE2 инструкциите използват 32-битова или 64-битова математика с плаваща запетая. Инструкциите SSE и SSE2 също са разширени да оперират с новите осем XMM регистри. Освен това тези инструкции са по-бързи и дублират повечето от традиционните x87 инструкции MMX и 3DNow!
  
• 
  NX бит (No-Execute bit - бит за неизпълнение) е бит 63 от таблицата на страницата, който позволява на операционната система да определи кои страници от пространството на виртуални адреси могат да съдържат изпълним код и кои не могат. Опитът да се стартира код от страница, маркирана като „неизпълнима” ще доведе до забрана за достъп до паметта, подобно на опита да се записва в страница „само за четене”. Това прави по-трудно за вредния код да поема управлението върху системата чрез атаки от типа „препълване на буфера” или „непроверен буфер”.
  
• 
  Виртуализационна технология (Virtualization Technology). На един сървър или PC се създават множество обкръжения, наречени виртуални машини, във всяко от които може да се стартира операционна система и приложения, без да се изисква тяхната преработка в съответствие с хардуера.
  

В таблица 1 са посочени техническите характеристики на различните версии на едноядрените процесори Athlon 64 и 64 FX.

• 
  скорости в диапазона 1.0 GHz до 3.0 GHz;
  
• 
  между 68,5 милиона транзистора (512 КВ на L2 кеша) и 129 милиона транзистора (за версии 1 MB на L2 кеша);
  
• 
  12-етапен конвейер;
  
• 
  контролер на DDR памет с ECC¹ поддръжка, вграден в процесора (вместо да е вграден в северния мост или хъба на контролера на паметта, както е в останалите чипсети, произвеждани по онова време);
  
• 
  версиите за Socket 754 се отличават с едноканален контролер на паметта, а версиите за Socket 940, 939 и AM2 са с двуканален контролер на паметта;
  
• 
  L1 кеш – 128 KB;
  
• 
  L2 кеш –512 KB или 1 MB, вграден в процесора, работещ на пълната честота на процесора;
  
• 
  поддръжка на 64-битовата технология AMD64 (наричана също IA-32e или x86-64), която е разширение на 32-битовата x86 архитектура;
  
• 
  хипертранспортна връзка (Hypertransport link) към северния мост на чипсета с пропускателна способност до 3.2GBps (Socket 754) или 4GBps (Socket 940, 939, и AM2);
  
• 
  адресируема памет до 1 TB, значително надхвърляща ограничението от 4GB или 64GB, налагано от 32-битовите процесори;
  
• 
  SSE2 (SSE плюс 144 нови инструкции за графична и звукова обработка);
  
• 
  Множество състояния за ниска консумация на енергия;
  
• 
  технология на ядрото 130, 90 или 65 nm (нанометра);
  

Табл. 1 Технически характеристики на процесори Athlon 64 и 64 FX

Главните разлики между Athlon 64 и 64 FX са в различните конфигурации на размера на кеш паметта и пропускателната способност на шината на паметта.

• 
  Поддържа само Socket 940, 939 или AM2;
  
• 
  Има контролер за двуканална DDR или DDR2 памет с ECC поддръжка;
  
• 
  версиите за Socket 940 изискват регистрова памет¹;
  
• 
  Скоростите на процесора са от 2.2GHz до 2.8GHz.
  
• 
  стандартно са с 1MB L2 кеш.
  

При процесорите Athlon 64 и 64 FX продължава използвания от начин за означаване скоростта на процесорите с PR (performance-rating), възприет в серията Athlon XP. Това означава, че действителната тактова честота е по-ниска от посочената в означението.

Процесорите Athlon 64 и 64 FX са налични за 4 версии на цокъла: Socket 754, 940, 939 и AM2, чиито основни технически характеристики са посочени в таблица 2. Обърнете внимание, че единствено Socket 940 поддържа по-бавната и по-скъпа регистрова памет. Поради това трябва да се избягват всякакви процесори и дънни платки за Socket 940.

Athlon 64 се произвежда в три основни версии:

• 
  процесор за Socket 754, който има само шина за едноканална памет;
  
• 
  подобрена версия за Socket 939 с шина за двуканална памет;
  
• 
  още по-добрата версия за Socket AM2, която има шина за двуканална DDR2 памет.
  

• 
  версия за Socket 940, която използва скъпата и по-бавна регистрова памет;
  
• 
  подобрена версия за Socket 939, която използва небуферирана памет;
  
• 
  актуализирана версия за Socket AM2, която има шина за двуканална DDR2 памет.
  

Версиите на Athlon 64 и 64 FX за Socket 939 са по същество един и същ чип, който се различава единствено по включената L2 кеш памет. Например Athlon 64 3800+ и Athlon 64 FX-53 работят и двата на тактова честота 2.4GHz и използват двуканална памет. Единствената разлика е, че 3800+ има само 512KB L2 кеш, докато FX-53 има 1MB L2 кеш.

Консумацията на енергия на Athlon 64 FX е с мощност 104 W и повече, което е доста, но все пак е по-малко от гладните за енергия процесори Pentium 4, които са основен конкурент. Подобно на Pentium 4, дънните платки за процесори Athlon 64 и 64 FX изискват конектор ATX12V, за да осигурят захранване 12 V на процесора.

Първоначална версия на Athlon 64 е създадена със 130 nm процес, а впоследствие се използват 90 nm и 65 nm технологични процеси.

За да се осигури евтин вариант на процесорите на AMD, който да е конкурент на Intel Celeron D, AMD въвеждат през 2004 г. линията процесори Sempron, които заменят процесорите на AMD от нисък клас, наречени Duron. Подобно на името Celeron, което обозначава евтините и нископроизводителни версии на широк кръг процесори на Intel, Sempron се използва за обозначаване на евтините версии на процесорите на AMD: процесори, базирани на Athlon XP със Socket A; както и процесори, базирани на едноядрените Athlon 64 и двуядрените Athlon 64 X2, с различни цокли: Socket 754, 939, AM2 и AM3. Обикновено тези версии, освен по цената, се различават от основния процесор по по-ниската тактова честота на процесора и шината, по-малкия кеш и понякога ограничение в други характеристики. За да се получи точна информация за особеностите на конкретния Sempron процесор, се препоръчва да се прегледа сайта на производителя, както и да се използва софтуер за диагностика, например CPU-Z (www.cpuid.com).

От самото начало 64-битовите процесори Athlon 64 са създадени с възможност за многоядрено изпълнение. Първият двуядрен процесор за настолни компютри с име Athlon 64 X2 е въведен през май 2005.Той използва няколко конструкции на ядра, с различни опции и характеристики (табл. 3).

• 
  65nm или 90nm производствен процес;
  
• 
  Действителни тактови честоти 1.9GHz-3.0GHz
  
• 
  Форм фактори Socket 939, AM2 и 1207FX;
  
• 
  Хипертранспортна връзка 1GHz (4GB/s пропускателна способност)
  

Фиг. 2 Вътрешна конструкция на Athlon 64 X2

Резултатът от тази конструкция е, че съществуващите системи, базирани на Socket 939 Athlon 64 могат да бъдат надградени към двуядрени процесори без да се сменя дънната платка. Докато дънната платка поддържа процесора и е налична актуализация на BIOS за двуядрени системи от производителя на дънната платка, надграждането е възможно.

Друго предимство на подхода на AMD е че няма загуба на производителност, нито увеличение на топлоотделянето при преминаване към двуядрена конструкция. Тъй като конструкцията на Athlon 64 включва припаси за двуядрено надграждане от самото начало, термичното влияние на второто ядро е минимално, дори и двуядрените процесори да работят при същите скорости като техните едноядрени предшественици.

Процесорите Athlon 64 изискват ново поколение чипсети, които да поддържат 64-битовата процесорна архитектура и да позволяват интеграцията на контролера на паметта в процесора (контролерът на паметта традиционно се поставя в северния мост или неговия еквивалент). Вследствие на последната особеност някои доставчици не използват термина „северен мост”, за да обозначат компонента на чипсета, който свързва процесора с AGP видеокартата.

AMD предлага собствени чипсети за Athlon 64, а от 2006 година, когато придобива фирмата ATI, предлага и чипсети ATI. Освен това чипсети за процесорите Athlon 64 и 64 FX са създадени и от VIA Technologies, NVIDIA, SiS и ULi Electronics (предишна ALi Corporation).

За да свърже процесора със северния мост или AGP, Athlon 64 използва високоскоростната хипертранспортна (HyperTransport) архитектура¹. Повечето чипсети за Athlon 64 използват версията на хипертранспортна връзка 16-bit/800MHz (16 бита означава 16 връзки) с пропускателна способност 6.4 GB/s, но последните чипсети, проектирани за новите Athlon 64 FX-53 със Socket 939 използват по-бързата 16-bit/1GHz версия с пропускателна способност 8 GB/s, поддържаща по-бързата DDR-2 памет.

Скоростта за връзка 16-bit/800MHz се изчислява по следния начин: 0,8GHz/връзка × 2 бита/Hz × 16 връзки × 1 Байт делено на 8 бита = 3.2 GB/s в едната посока. Обединената пропускателна способност в двете посоки е 3.2 GB/s х 2 = 6.4 GB/s

Подобно на хъбовата архитектура на Интел, при която бавната PCI връзка между северния и южния мост (или техните еквиваленти) се заменя с хъбов интерфейс, AMD и останалите производители на чипсети също поставят по-бързи връзки, аналогични на хъбовия интерфейс:

• 
  AMD и NVidia използват 8-битова шина HyperTransport – 800 MB/s;
  
• 
  VIA създава връзка V-Link с три версии:
  
  • 
    4x V-Link с пропускателна способност 266 MB/s (4x66 MHz), която е два пъти по-висока от скоростта на PCI и съответства на Intel AHA и HI 1.5 хъбовата архитектура
    
  • 
    8x V-Link изпраща данни с 533 MB/s (4x133 MHz)
    
  • 
    Ultra V-Link изпраща данни с 1GB/s, което е четири пъти повече от Intel HI 1.5 хъбовата архитектура и е равно на по-новата архитектура на Intel DMI.
    
• 
  SiS използва MuTIOL архитектура (наричана също HyperStreaming – хиперпоточност), която има две версии – за 533MB/s и 1GB/s
  
• 
  ATI използва високоскоростна връзка, наречена A-Link с 266 MB/s, в интегрираните чипсети от серията 9100, но за чипсетите Radeon Xpress 200 за Pentium 4 и AMD Athlon 64 използва шина HyperTransport.
  

1. 
   Чипсет AMD 8000 (8151)
   

Основната разлика е, че мостът, който свързва процесора с останалите устройства (аналог на северния мост), не съдържа контролер на паметта, тъй като този контролер е вграден в самия процесор. Поставянето на контролера на паметта вътре в процесора увеличава производителността, тъй като липсва забавянето причинено от външната връзка. Това обаче крие и недостатък, тъй като при появата на нови технологии за паметта (както е случая с DDR2) се изисква препроектиране на процесора.

Тъй като единствената задача на аналога на северния мост е да осигури високоскоростна връзка към AGP слота, този компонент се нарича AGP графичен тунелен чип, а обозначението му за чипсета AMD 8000 е AMD-8151. Другите компоненти на чипсета са AMD-8111 хипертранспортен I/O хъб (южен мост) и AMD-8131 PCI-X тунелен чип.

Връзката между еквивалентите на северния и южния мост се осъществява чрез високоскоростна шина с наименование HyperTransport (първоначално наричана LDT - Lightning Data Transport – Светкавичен транспорт на данни), която е 6 пъти по-бърза от PCI (800MB/s срещу 133MB/s за PCI).

Поради забавянето при разработването на AGP графичния тунелен чип AMD-8151, повечето доставчици в края на 2003 г. използват хипертранспортния I/O хъб AMD-8111 самостоятелно или заедно с AMD-8131 PCI-X тунелния чип, за да осигурят смес от PCI и PCI-X слотове на дънни платки, оптимизирани за сървъри. Някои по-късни системи обединяват и чипа AMD-8151, за да осигурят AGP видео, но AMD 8000 продължава да се използва основно като чипсет за работни станции и сървъри, а не за настолни машини.

На фиг.3 е показана архитектурата на чипсет AMD-8151 за Athlon 64.

• 
  поддръжка на AGP 2.0/3.0 (AGP 1x-8x) графични карти
  
• 
  16-битова (в двете посоки) хипертранспортна връзка към процесора
  
• 
  8-битова (в двете посоки) хипертранспортна връзка към чиповете от долните нива
  

• 
  PCI 2.2-съвместима PCI шина (32-битова, 33MHz) - до 8 устройства
  
• 
  AC'97 2.2 аудио (6-канално)
  
• 
  6 USB 1.1/2.0 порта (3 контролера)
  
• 
  2 ATA/IDE хост адаптери, поддържащи скорости до ATA-133
  
• 
  RTC - часовник
  
• 
  Low-pin-count (LPC) шина
  
• 
  Вградена мрежова карта 10/100 Ethernet
  
• 
  8-битова (в двете посоки) хипертранспортна връзка към чиповете от горните нива
  

• 
  2 PCI-X моста (A и B), всеки поддържащ до 5 PCI главни устройства
  
• 
  PCI-X трансферни скорости до 133MHz
  
• 
  PCI 2.2 33MHz и 66MHz трансферни скорости
  
• 
  Независими операционни режими и трансферни скорости за всеки мост
  
• 
  8-битова (в двете посоки) хипертранспортна връзка към чиповете от горните и долните нива
  

2. 
   Нови чипсети на AMD/ATI за процесори К8
   

Разглеждането на чипсетите на VIA Technologies, NVIDIA, SiS и ULi Electronics излиза извън рамките на този урок. Информация за тях може да откриете в [1] и на сайтовете на производителите.

1. 
   Mueller, Scott Upgrading and Repairing Pcs, 19th Edition. USA, Que, 2009.
   
2. 
   Официален сайт на AMD http://www.amd.com