Процессоры Intel шестого поколения

Шестое поколение

Отсчет шестого поколения процессоров начался с Pentium Pro, выпущенного в 1995 году. Сейчас к этому поколению относятся Pentium II (1997 г.), Celeron, Xeon (1998 г.) и, наконец, Pentium III (1999 г.). От предыдущего поколения эти процессоры главным образо м отличает применение "динамического исполнения" (изменения порядка исполнения инструкций) и архитектура двойной независимой шины. Здесь вторичному кэшу, введенному в процессор (но не во все модели), выделяется отдельная высокоскоростная магистраль. В ход е эволюции поколения к системе команд Pentium Pro, расширенной относительно Pentium с целью сокращения условных переходов, было добавлено расширение MMX - так появился Pentium II. Теперь идею MMX - одновременное исполнение одной инструкции над группой опе рандов -распространили и на инструкции с плавающей точкой: SSE (Streaming SIMD Extensions) - основной козырь Pentium III. Правда, несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD - расширение 3DNow! было реализовано уже в процесс орах K6-2 для сокета 7.

Процессоры Pentium Pro выпускались в модифицированных корпусах SPGA (Staggered Pin Grid Array) с матрицей штырьковых выводов, часть из которых расположены в шахматном порядке. В одном корпусе (микросхеме) установлено 2 кристалла - ядро процесора и вторичный кэш собственного (Intel'овского) изготовления. Этот кэш работал на частоте ядра процессора, которая за всю историю Pentium Pro с начальных 150 МГц поднялась всего только до 200 МГц. Объем кэша в разных модификациях был от 512 Кбайт до 2 Мбайт, д ля повышения надежности применялся ECC-контроль. Для этих процессоров предназначен сокет 8 с 387 выводами. Интерфейс позволяет непосредственно объединять до 4 процессоров для симметричной мультипроцессорной обработки (SMP). Возможно и парное включе ние процессоров для функционально-избыточного контроля (FRC), при котором один процессор только проверяет действия другого. В 1998 году владельцам плат с сокетом 8 преподнесли процессор Pentium II OverDrive - ядро Xeon, кэш 512 Кб, работающей на частоте я дра (333 МГц), частота шины 66 МГц. При этом SMP урезали до 2 процессоров, мотивируя "недостатками сокета 8". На этом история процессоров для сокета 8 останавливается.
Процессоры Pentium II сочетают архитектуру Pentium Pro с технологией MMX. По сравнению с Pentium Pro удвоен размер первичного кэша (16+16 Кбайт), размер вторичного кэша варьируется от 0 до 2 Мбайт. В процессоре используется новая технология корпусо в - картридж с печатным краевым разъемом, на который выведена системная шина (Single Edge Contact Cartridge - SECC). На картридже размером 14 x 6,2 x 1,6 см установлена микросхема ядра процессора (CPU Core), несколько микросхем, реализующих вторичный кэш, и вспомогательные дискретные элементы (резисторы и конденсаторы). Снятие вторичного кэша с микросхемы процессора позволяет использовать для кэш-памяти и памяти тегов микросхемы сторонних производителей, специализирующихся на выпуске сверхбыстродействующе й памяти. Объем вторичного кэша определяется емкостью и числом установленных микросхем памяти. В то же время сохраняется независимость шины вторичной кэш-памяти, которая тесно связана с ядром процессора собственной локальной шиной.
Первые процессоры Pentium II (до выпуска они имели кодовое название Klamath), появившиеся весной 1997 года, насчитывали около 7,5 млн транзисторов только в процессорном ядре и выполнялись по технологии 0,35 мкм. Они имели тактовые частоты ядра 233, 266 и 300 МГц при частоте системной шины 66,6 МГц. При этом вторичный кэш работал на половинной частоте ядра и кэшировал только первые 512 Мбайт пространства памяти. Для этих процессоров был разработан слот 1, по составу сигналов сильно напоминающ ий сокет 8 для Pentium Pro. Однако слот 1 позволяет объединять лишь пару процессоров для реализации симметричной мультипроцессорной системы либо системы с избыточным контролем функциональности (FRC). Так что этот процессор представляет собой более быстрый Pentium Pro с поддержкой MMX, но с урезанный поддержкой мультипроцессирования.
Следующее поколение Pentium II, имевшее кодовое название Deshutes, появилось в 1998 году и выполнялось уже по технологии 0,25 мкм. Это позволило поднять тактовую частоту (чем мельче элементы, тем меньше они рассеивают мощность, что особенно критичн о на высоких частотах). Процессор на 333 МГц имеет частоту шины 66,6 МГц, а процессоры на 350 и выше уже имеют частоту системной шины 100 МГц. Для работы на такой частоте эффективна оперативная память на микросхемах SDRAM (синхронная динамическая память), у которой в середине пакетного цикла данные передаются в каждом такте. Эти процессоры также устанавливаются в слот 1 (опять-таки не более двух в системе). Начиная с процессоров 350 МГц объем памяти, кэшируемой на L2, увеличили до 4 Гбайт.
Для "самых простых" компьютеров по той же 0,25 мкм-технологии выпустили облегченный вариант процессора, названный Celeron. Первые процессоры Celeron имели частоты ядра 266 и 300 МГц (частота шины - 66 МГц). Вторичный кэш исключен, что заметно отраз илось на производительности (системные платы для слота 1 вторичного кэша, естественно, не имеют). При падении цен на системные платы и дешевизне самого Celeron машина начального уровня оказывается действительно недорогой. Современные процессоры Celeron , начиная с модели Celeron 300A (с частотой 300 МГц), имеют небольшой (128 Кбайт) вторичный кэш, установленный на кристалле ядра и работающий уже на полной частоте ядра. Эти процессоры известны также под названием Mendocino. Кроме широко известных особенностей вторичного кэша (либо его нет, либо 128 К), процессор Celeron от Pentium II имеет следующие отличия:

Разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 бит (адресуемая память - 4 Гбайт).
Контроль паритета шины адреса и шины запроса, ECC-контроль шины данных и контроль неисправимых ошибок шины а также сигнал инициализации шины отсутствует.
Процессоры предназначены только для одиночных конфигураций: для функционально-избыточного контроля не хватает сигнала FRCERR#, а из сигналов запроса шины остался только BR0#, что не позволяет использовать симметричные двухпроцессорные ко нфигурации. Правда, умельцы нашли сигнал BR1# и на кристалла ядра в упаковке SEPP, и в корпусе PPGA (здесь его достать совсем просто), что позволяет использовать Celeron в двухпроцессорных системах.
Коэффициенты умножения частоты, по крайней мере официально, фиксированы - сигналы LINT[0:1]#, A20M# и IGNNE# в качестве задатчиков коэффициента умножения частоты во время действия RESET# в информационном листке не фигурирую т.

Для мощных компьютеров предназначено семейство Xeon. Для них ввели новый слот 2, который (вместе с интерфейсом нового процессора) позволяет строить как избыточные системы с FRC, так и симметричные 1-, 2-, 4- и даже 8-процессорные сист емы. Частота шины - 100 МГц, частота ядра - 400 МГц и выше, вторичный кэш, как и в Pentium Pro, работает на частоте ядра. Объем вторичного кэша - 512 Кбайт, 1 или 2 Мбайт при кэшировании до 64 Гбайт (все адресное пространство при 36-битной адресации). Про цессоры Xeon отличаются не только большей мощностью, но и большими размерами - 15,2 x 12,7 x 1,9 см.
Процессоры Xeon имеют новые средства хранения системной информации. Постоянная (только для чтения) память процессорной информации PIROM (Processor Information ROM) хранит такие данные, как электрические спецификации ядра процессора и кэш-памяти (ди апазоны частот и питающих напряжений), S-спецификацию и серийный 64-битный номер процессора. По инструкции идентификации CPUID такая информация недоступна. Энергонезависимая память Scratch EEPROM предназначена для занесения системной информа ции поставщиком процессора (или компьютера с этим процессором) и может быть защищена от последующей записи. Процессор оборудован термодатчиком (термодиод на кристалле ядра) с программируемым устройством контроля температуры. Это устройство имеет ан алого-цифровой преобразователь, калибруемый по термодиоду конкретного процессора на этапе тестирования картриджа. Константа настройки термометра заносится в PIROM. Устройство термоконтроля программируется - задается частота преобразований и пороги темпера туры, по достижении которых вырабатывается сигнал прерывания. Для взаимодействия с PIROM, Scratch EEPROM и устройством термоконтроля процессор имеет дополнительную последовательную шину SMBus (System Management Bus), основанную на интерфейсе I²C.
Новинка 1999 года - процессоры Pentium III - являются дальнейшим развитием Pentium II. Их главным отличием является расширение набора SIMD-инструкций - SSE (Streaming SIMD Extensions), основанное на новом блоке 128-разрядных регистров. Кроме того, у них расширена инструкция CPUID, по коророй теперь можно получить и уникальный 64-битный идентификатор процессора (тот, что у Xeon можно было прочесть по SMBus). "Простые" Pentium III устанавливаются в слот 1, Pentium III Xeon - в слот 2. По характеристи ках вторичного кэша и возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II и Pentium II Xeon. Частота системной шины - 100 МГц.

Корпуса, сокеты и слоты

Шестое поколение процессоров отличается большим разнообразием конструктивов - одних только коннекторов имеется 4 типа: сокет 8, слот1, слот 2 и сокет-370. Корпусов (упаковок) тоже много - SPGA, SECC, SECC 2, SEPP, PPGA (это не считая мобильных процессоров , о которых чуть позже). Попробуем все это многообразие "разложить по полочкам".
Проблемы с изготовлением и размещением вторичного кэша Pentium Pro в одной микросхеме с ядром были решены с переходом на новый конструктив - картридж с краевым печатным разъемом SECC (Single Ended Edge Connector). Здесь позволим себе не ставить точки посл е каждой заглавной буквы аббревиатуры (S.E.C.C., S.E.P.P., как пишет Intel). Картридж представляет собой печатную плату (субстрат), на которую с двух сторон устанавливаются компоненты поверхностного монтажа - кристалл ядра и стандартные микросхемы вторичн ого кэша (собственно кэш-памяти и тегов). Вариации с быстродействием процессора и размером кэша выливаются лишь в изменение комплектации картриджа (сколько и каких микросхем установлено). Для процессоров Pentium II был разработан слот 1 - щелевой р азъем с 242 контактами, впоследствии переименованный в SC242. В этот же слот устанавливаются и процессоры Celeron, и Pentium III. Слот позволяет работать с частотой системной шины 66 или 100 МГц. В системах с SMP возможно использовать не более двух процессоров. Для слота 1 (SC242) предназначены процессоры с разными названиями "упаковки":
SECC - картридж процессоров Pentium II и Pentium III. Представляет собой печатную плату с установленными компонентами. К микросхемам ядра и кэша прилегает термопластина (thermal plate), распределяющая тепло, к которой снаружи крепится вентилятор (или иное охлаждающее устройство). Спереди картридж закрыт крышкой. Допустимая температура пластины +70...75°С (в зависимости от частоты процессора).
SECC 2 - картридж для тех же процессоров, появился начиная с частоты 350 МГц (но для тех же частот выпускаются и модели в SECC). От предыдущего отличается тем, что не имеет термопластины - внешние "холодильники" прижимаются прямо к корпусам микросх ем ядра и кэша, что снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность охлаждения. Сами процессоры, устанавливаемые на SECC 2, могут быть как в корпусах PLGA (Plastic Land Grid Array), так и в OLGA (Organic Land Grid Array). Последние применяются для процессоров с частотой 400 МГц и выше и отличаются более высокой допустимой температурой - 90°C против 80°, допустимых для PLGA. Заметим, что допустимая температура микросхем кэша - 105°С.
SEPP (Single Edge Processor Package) - картридж процессоров Celeron, не имеющий ни термопластины, ни крышки. Внешний радиатор прижимается прямо к корпусу ядра, а микросхем вторичного кэша у Celeron'ов нет.
В процессорах Celeron идея упаковки в картридж себя изжила - одну микросхему ядр а легко упаковать и в обычный корпус со штырьковыми выводами. Это получается примерно на $10 дешевле, чем в полупустой SEPP. Так появился Celeron в корпусе PPGA (Plastic Pin Grid Array), напоминающий по виду добрый старый Pentium, и сокет-370 (по числу выводов). От сокета 7 с той же шахматной матрицей 37x37 он механически отличается большим количеством контактов - 6 полных рядов (против 5, и то неполных) и двойным ключем (кроме вывода A1 отсутствует и AN37). Электрически он отличается радикально - ни о какой совместимости с сокетом 7 и речи быть не может. Процессоры в PPGA от своих SEPP-братьев отличаются нюансами интерфейса питания, которые учтены в распр остраненных переходниках сокет-370 я слот 1. Эти переходники позволяют использовать дешевые процессоры в PPGA в платах со слотом 1, а при простой доработке переходника - даже в двухпроцессорных конфигурациях.
Процессоры Pentium II Xeon и Pentium III Xeon тоже выпускаются в картриджах SECC, но гораздо большего размера. Для этих процессоров предназначен слот 2 с числом контактов 330, известный и как SC330.

Мобильные процессоры

Мобильные процессоры семейства P6 предназначены для установки в блокнотные ПК и другие малогабаритные системы с автономным питанием. Эти процессоры выпускаются в нескольких конструктивных исполнениях: миниатюрный корпус BGA1 с выводами для припаивания, ми ни-картридж с 240-штырьковым разъемом и модули с коннекторами MMC-1 и MMC-2. В этих исполнениях могут быть процессоры трех типов: мобильный Pentium II с внешним вторичным кэшем, мобильный Celeron с кэшем 128 Кбайт и мобильный Pentium II со встроенным кэше м 256 Кб. Мобильные процессоры имеют ряд отличий от обычных Pentium II:

Не поддерживается функционально-избыточный контроль (FRC) и двухпроцессорные конфигурации.
Понижено напряжение питания.
Понижена нагрузочная способность интерфейсных схем.
Введено новое состояние пониженного потребления Quick Start. От состояния Stop Grant отличается тем, что в нем не отслеживаются транзакции симметричных агентов (другого процессора), слежение ведется только за приоритетными агентами шины. Потребление в состоянии Quick Start существенно меньше, чем в Stop Grant.

Первые мобильные процессоры P6 - Mobile Pentium II 300, 266 и 233 МГц - имели частоту шины 66 МГц и фиксированный коэффициент умножения. Внешний (относительно кристалла ядра) кэш L2 объемом до 512 К работает на половине частоты ядра. Напряжение п итания ядра 1.6 В, буферов кэша 1.8 В, памяти кэша 3.3 В. По инструкции CPUID они идентифицируются как тип=0, семейство=6, модель=5.
Следующими были Mobile Celeron 300 и 266 Мгц: объем кэша L2 - 128 Кбайт, кэш работает на частоте ядра. Напряжения питания - 1.6 В и 1.8 В. По инструкции CPUID идентифицируются как тип=0, семейство=6, модель=6.
Самые мощные мобильные процессоры - Mobile Pentium II 366, 333, 300PE и 266PE МГц: объем кэша L2 - 256 Кбайт, кэш работает на частоте ядра. Напряжения питания - 1.6 В и 1.8 В. По инструкции CPUID идентифицируются как тип=0, семейство=6, модель=6, н о имеют другие значения степпинга и дескриптора вторичного кэша.
Представление о конструктивах дает фотография, опубликованная на сайте iXBT Hardware.

Мобильные процессоры Слева изображен процессор в корпусе BGA1 (он же PBGA-B615) размером 35x32x2.8 мм. Он имеет матрицу шариковых выводов BGA (Ball Grid Array) 24x26 с шагом 1.27 мм для припаивания к печатной плате.
Мини-картриджи (на рисунке - в центре) имеют размер 56x60 мм при толщине 5.5 мм. Коннектор - миниатюрный 240-штырьковый с матрицей 8x30. У мини-картриджей термоконтроль реализуется как в Xeon'е - термодиод подключен к контроллеру, с которым обеспеч ивается связь по шине SMBUS (подмножество I²C).
Справа на фотографии изображен модуль MMC-1(Mobile Module Connector 1). Он представляют собой печатную плату размером 102x64 мм, снабженную двумя 140-контактными разъемами. Эта пара разъемов имеет фиксированное назначение выводов и называется Conne ctor 1. Тощина модуля 8 мм (не считая слегка выступающей части коннекторов). На плате установлен кристалл ядра процессора, микросхемы вторичного кэша (если он не на кристалле процессора), ядро чипсета i440BX и ряд вспомогательных схем. Для подключения мод уля электроника компьютера должна включать микросхему PIIX4E, в таком сочетании становятся доступными функции энергосбережения для памяти, кэша и процессора. Мост i440BX обеспечивает на внешнем коннекторе интерфейсы шин PCI 2.1 (3.3 В) и шины динамической памяти (до 3 модулей SO DIMM EDO или SDRAM. Встроенный преобразователь напряжения питает модуль при подаче на вход напряжения постоянного тока 5я21 В. Для питания внешней электроники от преобразователя на коннектор выводятся напряжения +3.3 В и +5 В, под ача которых управляется в соответствии с текущим режимом потребления. Модуль снабжен теплоотводящей пластиной и средствами термоконтроля, с которыми взаимодействуют по шине SMBUS. Управление питанием и термоконтроль соответствуют ACPI 1.0.
Модули MMC-2 отличаются от MMC-1 поддержкой AGP версии 1.0 с частотой шины 66 МГц (режим x2 со скоростью передачи около 500 Мбайт/с). Порт AGP требует большого количества контактов, поэтому конектор модуля MMC-2 имеет уже 400 контактов. Модули выпу скаются с теми же процессорами, что и MMC-1.

Сводная таблица

Сориентироваться в процессорах 6-го поколения поможет табл. 1. Из нее видно, что в слот 1 (SC242) можно установить любой из "настольных" процессоров - Pentium II, Celeron и Pentium III. В сокет-370 пока что можно установить лишь Celeron 300A я Celeron 433. Однако наличие "лишних" сигналов в сокете (для выбора частоты шины и двухпроцессорных систем), а также существование мобильных процессоров со вторичным кэшем 256 Кб на кристалле ядра позволяют надеяться, что для сокета-370 появится и что- то более мощное. Слот 2 предназначен для мощных процессоров Xeon - как с SSE, так и без него. Для сокета 8 перспектив нет - либо старые Pentium Pro, либо "Xeon-333", и все!
Попутно заметим, что слот-A, механически совпадающий со слотом 1, предназначен только для процессоров AMD K7, так что свободы выбора "породы" процессора пока не предвидится.

Таблица 1. Основные характеристики процессоров

Процессор Частота Память Инструкции SIMD SMP, FRC Конструктив для

ядра шины кэша L2 адресуемая кэш L2 кэшируемая

Pentium Pro 150 я200 60я66 F 64 Гб 256К я 1М ?* я SMP-4, FRC Сокет 8

Pentium II 233 я333 66 F/2 64 Гб 256К я 2М 512 Мб MMX SMP-2, FRC Слот 1

Pentium II 350 я450 66, 100 F/2 64 Гб 256К я 2М 4 Гб MMX SMP-2, FRC Слот 1

Pentium II OverDrive 333 66 F 64 Гб 512К 64 Гб MMX SMP-2, FRC Сокет 8

Pentium II Xeon 400 я450 100 F 64 Гб 512К я 2 М 64 Гб MMX SMP-4 (8), FRC Слот 2

Celeron 266 я300 66 я 4 Гб я я MMX я Слот 1

Celeron 300A я433 66 F 4 Гб 128 К 4 Гб?* MMX я Слот 1, Сокет-370

Pentium III 450 я 500 100 F/2 64 Гб 512К 4 Гб MMX, SSE SMP-2 Слот 1

Pentium III Xeon 450 я500 100 F 64 Гб 512К я 2 М 64 Гб MMX, SSE SMP-4 (8), FRC Слот 2

Mobile Pentium II 233 я300 66 F/2 4 Гб 256 я 512К 256 я512 Мб MMX я 2, 3 **

Mobile Pentium II 266PE я 333 66 F 4 Гб 256 К 4 Гб MMX я 1, 2, 3 **

Mobile Celeron 266 я300 66 F 4 Гб 128К 4 Гб MMX я 1, 3 **
* Не нашел документального подтверждения (приму с благодарностью)
** 1 - корпус BGA, 2 - мини-картридж, 3 - модули MMC-1, MMC-2

Подробную информацию о современных процессорах можно почерпнуть из книги М. Гука "Процессоры Pentium II, Pentium Pro и просто Pentium", недавно выпущенной издательством "Питер".

Михаил Гук (Mgook@stu.neva.ru)

Опубликовано в КомпьютерИНФО я9я10 за 1999 г.
Публикация в печатных изданиях только с разрешения автора, ссылка обязательна.

Михаил Гук	Процессоры Intel шестого поколения

Книги \| Статьи