Pentium (также называемый i586 ) — микропроцессор x86, представленный Intel 22 марта 1993 года. Это первый процессор, использующий бренд Pentium . [2] [3] Считался пятым поколением процессоров, совместимых с 8086, [4] его реализация и микроархитектура назывались внутри компании P5 .
Как и Intel i486 , набор инструкций Pentium совместим с 32-битным процессором 80386 . Он использует микроархитектуру, очень похожую на i486, но был достаточно расширен для реализации конструкции двойного целочисленного конвейера , а также более совершенного модуля с плавающей запятой . Некоторые ученые и конкуренты RISC утверждали, что первое невозможно реализовать для набора инструкций CISC .
P5 Pentium — первый суперскалярный процессор x86 , то есть он часто мог выполнять две инструкции одновременно. Некоторые методы, использованные для реализации этого, были основаны на более раннем суперскаляре Intel i960 CA (1989 г.), тогда как другие детали были изобретены исключительно для конструкции P5. Большие части также были скопированы из i386 или i486, особенно стратегии, используемые для конвейерной обработки сложных кодировок x86. [5] Как и i486, Pentium использовал как оптимизированную систему микрокода, так и RISC-подобные методы, в зависимости от конкретной инструкции или части инструкции.
Другие основные функции включают переработанный и значительно более быстрый модуль вычислений с плавающей запятой , широкую 64-битную шину данных (внешнюю и внутреннюю), отдельные кэши кода и данных , а также множество других методов и функций для повышения производительности.
P5 также имеет лучшую поддержку многопроцессорной обработки по сравнению с i486 и является первым процессором x86 с аппаратной поддержкой, аналогичной мейнфреймам IBM. Intel работала с IBM, чтобы определить эту возможность, а также внедрила ее в микроархитектуру P5. Эта возможность отсутствовала в предыдущих поколениях x86 и процессорах x86 конкурентов.
Чтобы полностью использовать потенциал двойных конвейеров, некоторые компиляторы были оптимизированы для лучшего использования параллелизма на уровне инструкций, хотя не все приложения существенно выиграют от перекомпиляции. Однако более быстрый FPU всегда значительно улучшал производительность с плавающей запятой по сравнению с i486 или i387. Intel потратила ресурсы на работу с поставщиками средств разработки, независимыми поставщиками программного обеспечения и компаниями , производящими операционные системы (ОС), для оптимизации их продуктов.
В октябре 1996 года был представлен аналогичный Pentium MMX [6] , дополнявший ту же базовую микроархитектуру набором команд MMX , большими кэшами и некоторыми другими улучшениями.
Среди конкурентов были суперскаляры PowerPC 601 (1993 г.), SuperSPARC (1992 г.), DEC Alpha 21064 (1992 г.), AMD 29050 (1990 г.), Motorola MC88110 (1991 г.) и Motorola 68060 (1994 г.), большинство из которых также использовали суперскаляры по порядку. конфигурация с двойным конвейером инструкций, а также несуперскалярные Motorola 68040 (1990 г.) и MIPS R4000 (1991 г.).
Intel прекратила выпуск процессоров Pentium P5 (продававшихся как более дешевый продукт с момента выпуска Pentium II в 1997 году) в начале 2000 года в пользу процессора Celeron , который также заменил бренд 80486 . [1]
Микроархитектура P5 была разработана той же командой из Санта-Клары, которая проектировала модели 386 и 486. [7] Проектные работы начались в 1989 году; [8] : 88 команда решила использовать суперскалярную архитектуру со встроенным кэшем, числами с плавающей запятой и предсказанием ветвлений. Предварительный проект был впервые успешно смоделирован в 1990 году, после чего была выполнена компоновка проекта . К этому времени в команде было несколько десятков инженеров. Проект был записан на пленку или перенесен на кремний в апреле 1992 года, после чего началось бета-тестирование. [9] К середине 1992 года в команде P5 было 200 инженеров. [8] : 89 Intel сначала планировала продемонстрировать P5 в июне 1992 года на выставке PC Expo, а официально анонсировать процессор в сентябре 1992 года, [10] но проблемы с дизайном вынудили отменить демо-версию и официальное представление выпуск чипа был отложен до весны 1993 года. [11] [12]
Джон Х. Кроуфорд , главный архитектор оригинального 386, совместно руководил проектированием P5 [13] вместе с Дональдом Альпертом, который руководил архитектурной командой. Дрор Авнон руководил разработкой FPU. [14] Винод К. Дхам был генеральным менеджером группы P5. [8] : 90
В проекте многоядерной архитектуры Intel Larrabee используется ядро процессора, полученное из ядра P5 (P54C), дополненное многопоточностью , 64-битными инструкциями и блоком векторной обработки шириной 16 пикселей . [15] Маломощная микроархитектура Bonnell от Intel , использовавшаяся в ранних процессорных ядрах Atom , также использует двойной упорядоченный конвейер, аналогичный P5. [16]
Intel использовала название Pentium вместо 586, поскольку в 1991 году она проиграла спор по поводу товарного знака «386», когда судья постановил, что этот номер является общим . Компания наняла Lexicon Branding , чтобы придумать новое нечисловое название. [17]
Микроархитектура P5 имеет несколько важных преимуществ по сравнению с предыдущей архитектурой i486.
Pentium был разработан для выполнения более 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS) [18] , а модель с частотой 75 МГц смогла достичь скорости 126,5 MIPS в некоторых тестах. [19] Архитектура Pentium обычно обеспечивала чуть менее чем вдвое большую производительность, чем процессор 486 за такт в обычных тестах. Самые быстрые детали 80486 (с несколько улучшенной микроархитектурой и работой на частоте 100 МГц) были почти такими же мощными, как Pentiums первого поколения, а AMD Am5x86 , который, несмотря на свое название, на самом деле является процессором класса 486, был примерно равен Pentium 75 по показателям производительности. чистая производительность ALU.
В ранних версиях Pentiums P5 с частотой 60–100 МГц была проблема с модулем операций с плавающей запятой, которая приводила к неверным (но предсказуемым) результатам некоторых операций деления. Этот недостаток, обнаруженный в 1994 году профессором Томасом Найсли из Линчберг-колледжа, штат Вирджиния, стал широко известен как ошибка Pentium FDIV и вызвал затруднения у Intel, которая создала программу обмена для замены неисправных процессоров.
В 1997 году была обнаружена еще одна ошибка, которая могла позволить вредоносной программе привести к сбою системы без каких-либо специальных привилегий, — « ошибка F00F ». Это затронуло все процессоры серии P5, и фиксированные степпинги так и не были выпущены, однако в современные операционные системы были внесены обходные пути для предотвращения сбоев.
Pentium был основным микропроцессором Intel для персональных компьютеров в середине 1990-х годов. Первоначальный дизайн был переработан в более новых процессах и добавлены новые функции для поддержания конкурентоспособности и для удовлетворения конкретных рынков, таких как портативные компьютеры. В результате появилось несколько вариантов микроархитектуры P5.
Первое ядро микропроцессора Pentium имело кодовое название «P5». Его код продукта был 80501 (80500 для самых ранних версий Q0399). Существовали две версии, предназначенные для работы на частоте 60 МГц и 66 МГц соответственно с использованием Socket 4 . Эта первая реализация Pentium была выпущена в форм-факторе PGA с 273 выводами и работала от источника питания 5 В. (произошло от обычных требований совместимости транзисторно-транзисторной логики (TTL)). Он содержал 3,1 миллиона транзисторов , имел размеры 16,7х17,6 мм и площадь 293,92 мм2 . [20] Он был изготовлен с использованием биполярного комплементарного процесса металл-оксид-полупроводник ( BiCMOS ) с длиной волны 800 нм . [21] Конструкция с напряжением 5 В привела к относительно высокому энергопотреблению для своей рабочей частоты по сравнению с последующими моделями.
За P5 в 1994 году последовал P54C (80502), версии которого работали на частоте 75, 90 или 100 МГц с использованием источника питания 3,3 В. Обозначая переход на Socket 5 , это был первый процессор Pentium, работавший при напряжении 3,3 В, что снижало энергопотребление, но требовало регулирования напряжения на материнских платах. Как и в случае с процессорами 486 с более высокой тактовой частотой, с этого момента использовался внутренний умножитель тактовой частоты, чтобы позволить внутренней схеме работать на более высокой частоте, чем внешние шины адреса и данных, поскольку увеличить внешнюю частоту сложнее и обременительнее из-за физические ограничения. Он также допускал двустороннюю многопроцессорную обработку, имел интегрированный локальный APIC и новые функции управления питанием. Он содержал 3,3 миллиона транзисторов и имел площадь 163 мм 2 . [22] Он был изготовлен по технологии BiCMOS, которая из-за разных определений была описана как 500 нм и 600 нм . [22]
За P54C в начале 1995 года последовал P54CQS, который работал на частоте 120 МГц. Он был изготовлен по 350-нм техпроцессу BiCMOS и стал первым коммерческим микропроцессором, изготовленным по 350-нм техпроцессу. [22] Его количество транзисторов идентично P54C, и, несмотря на более новый процесс, он также имел идентичную площадь кристалла. Чип был подключен к корпусу с помощью проводного соединения , которое допускает соединения только по краям чипа. Меньший чип потребовал бы изменения конструкции корпуса, поскольку существует ограничение на длину проводов, а края чипа будут находиться дальше от площадок на корпусе. Решение заключалось в том, чтобы сохранить чип того же размера, сохранить существующее кольцо площадки и уменьшить размер логической схемы Pentium только для того, чтобы он мог достичь более высоких тактовых частот. [22]
За P54CQS вскоре последовал P54CS, который работал на частотах 133, 150, 166 и 200 МГц, и представил Socket 7 . Он содержал 3,3 миллиона транзисторов площадью 90 мм 2 и был изготовлен по технологии BiCMOS 350 нм с четырьмя уровнями межсоединений.
P24T Pentium OverDrive для систем 486 был выпущен в 1995 году и основывался на версиях с напряжением 3,3 В, 600 нм и частотой 63 или 83 МГц. Поскольку они использовали Socket 2/3 , пришлось внести некоторые изменения, чтобы компенсировать 32-битную шину данных и более медленный встроенный кэш L2 материнских плат 486. Поэтому они были оснащены кэшем L1 объемом 32 КБ (вдвое больше, чем у процессоров Pentium до P55C).
P55C (или 80503) был разработан Центром исследований и разработок Intel в Хайфе, Израиль . Он продавался как Pentium с технологией MMX (обычно называемый просто Pentium MMX ); хотя он был основан на ядре P5, он содержал новый набор из 57 инструкций «MMX», предназначенных для повышения производительности при выполнении мультимедийных задач, таких как кодирование и декодирование цифровых мультимедийных данных. Линейка Pentium MMX была представлена 22 октября 1996 г. и выпущена в январе 1997 г. [23]
Новые инструкции работали с новыми типами данных: 64-битные упакованные векторы из восьми 8-битных целых чисел, четырех 16-битных целых чисел, двух 32-битных целых чисел или одного 64-битного целого числа. Так, например, инструкция PADDUSB (упакованный ADD беззнаковый насыщенный байт) складывает два вектора, каждый из которых содержит восемь 8-битных целых чисел без знака, поэлементно; каждое добавление, которое может привести к переполнению , насыщает , что дает 255, максимальное значение без знака, которое может быть представлено в байте. Эти довольно специализированные инструкции обычно требуют специального написания программистом для их использования. [ нужна цитата ]
Другие изменения в ядре включают 6-этапный конвейер (по сравнению с 5 на P5) со стеком возврата (впервые реализованный в Cyrix 6x86) и улучшенный параллелизм, улучшенный декодер инструкций, кэш данных L1 объемом 16 КБ + кэш инструкций L1 объемом 16 КБ с обоими 4 -сторонняя ассоциативность (по сравнению с 8 КБ данных/инструкций L1 с 2-сторонними на P5), 4 буфера записи, которые теперь могут использоваться любым конвейером (по сравнению с одним, соответствующим каждому конвейеру на P5), и улучшенный предсказатель ветвления, взятый из Pentium Pro, [24] [25] с буфером на 512 записей (против 256 на P5). [26]
Он содержал 4,5 миллиона транзисторов и имел площадь 140 мм 2 . Он был изготовлен по КМОП-процессу 280 нм с тем же шагом металла, что и предыдущий процесс BiCMOS 350 нм, поэтому Intel описала его как «350 нм» из-за аналогичной плотности транзисторов. [27] Этот процесс имеет четыре уровня взаимосвязи. [27]
Хотя P55C остался совместимым с Socket 7 , требования к напряжению для питания чипа отличаются от стандартных спецификаций Socket 7. Большинство материнских плат, изготовленных для Socket 7 до установления стандарта P55C, не соответствуют двойной шине напряжения, необходимой для правильной работы этого процессора (напряжение ядра 2,8 В, напряжение ввода/вывода (I/O) 3,3 В). Intel решила эту проблему с помощью комплектов обновления OverDrive, в которых использовался переходник с собственной регулировкой напряжения.
В процессорах ноутбуков Pentium MMX использовался мобильный модуль , в котором находился процессор. Этот модуль представлял собой печатную плату (PCB) с непосредственно прикрепленным к ней процессором меньшего форм-фактора. Модуль прикреплялся к материнской плате ноутбука, и обычно был установлен распределитель тепла , который контактировал с модулем. Однако с 250-нм Tillamook Mobile Pentium MMX (названным в честь города в Орегоне ) модуль также содержал набор микросхем 430TX вместе с системной кэш-памятью статической оперативной памяти (SRAM) емкостью 512 КБ.
После появления Pentium такие конкуренты, как NexGen , [28] AMD, Cyrix и Texas Instruments, анонсировали процессоры, совместимые с Pentium, в 1994 году. [29] Журнал CIO назвал Nx586 NexGen первым процессором, совместимым с Pentium, [30] в то время как Журнал PC Magazine назвал Cyrix 6x86 первым. За ними последовал AMD K5 , выпуск которого был отложен из-за трудностей проектирования. Позже AMD купила NexGen, чтобы помочь в разработке AMD K6 , а Cyrix была куплена National Semiconductor . [31] Более поздние процессоры AMD и Intel сохраняют совместимость с оригинальным Pentium.
В этих официальных руководствах представлен обзор процессора Pentium и его функций: