Архітектура процесора [ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати. скачати Технічний університет Молдови РЕФЕРАТ З ПРОГРАМУВАННЯ ТЕМА: Пам'ять і архітектура процесора Факультет CIM Група С - 092 Підготував Пліс Володимир. Кишинів 1999 План: Введення. Історична ретроспектива. Архітектурне розвиток. Процес виробництва. Програмна сумісність. Огляд процесорів. Майбутні розробки Intel. Процесор, або більш повно мікропроцесор, а також часто званий ЦПУ (CPU - central processing unit) є центральним компонентом комп'ютера. Це розум, який управляє, прямо або побічно, всім, що відбувається всередині комп'ютера. Коли фон Нейман уперше запропонував зберігати послідовність інструкцій, так звані програми, у тій же пам'яті, що й дані, це була воістину новаторська ідея. Опублікована вона в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 році. Цей звіт описував комп'ютер складається з чотирьох основних частин: центрального арифметичного пристрою, центрального керуючого пристрою, пам'яті й засобів введення-виведення. Сьогодні, понад півстоліття опісля, майже всі процесори мають фон-неймановскую архітектуру. Історична ретроспектива Як відомо, всі процесори персональних комп'ютерів засновані на оригінальному дизайні Intel. Першим застосовуваним в PC процесором був интеловский чіп 8088. У цей час Intel мав випущених раніше більш потужним процесором 8086. 8088 був обраний з міркувань економії: його 8-бітна шина даних допускала більше дешеві системні плати, чим 16-бітна у 8086. Також під час проектування перших PC більшість доступних інтерфейсних мікросхем використали 8-бітний дизайн. Ті перші процесори навіть не наближаються до потужності, достатньої для запуску сучасних додатків. У таблиці нижче наведені основні групи интеловских процесорів від першої генерації 8088/86 до шостого покоління Pentium Pro і Pentium II: Тип / Покоління Дата Ширина шини даних / адреси Внутрішній кеш Швидкість шини пам'яті (MHz) Внутрішня частота (MHz) 8088 / First 1979 8 / 20 bit None 4.77-8 4.77-8 8086 / First 1978 16/20 bit None 4.77-8 4.77-8 80286 / Second 1982 16/24 bit None 6-20 6-20 80386DX / Third 1985 32/32 bit None 16-33 16-33 80386SX / Third 1988 16/32 bit 8K 16-33 16-33 80486DX / Fourth 1989 32/32 bit 8K 25-50 25-50 80486SX / Fourth 1989 32/32 bit 8K 25-50 25-50 80486DX2 / Fourth 1992 32/32 bit 8K 25-40 50-80 80486DX4 / Fourth 1994 32/32 bit 8K +8 K 25-40 75-120 Pentium / Fifth 1993 64/32 bit 8K +8 K 60-66 60-200 MMX / Fifth 1997 64/32 bit 16K +16 K 66 166-233 Pentium Pro / Sixth 1995 64/36 bit 8K +8 K 66 150-200 Pentium II / Sixth 1997 64/36 bit 16K +16 K 66 233-300 Третє покоління процесорів, заснованих на Intel 80386SX і 80386DX, були першими застосовуваними в PC 32-бітними процесорами. Основною відмінністю між ними було те, що 386SX був 32-розрядним тільки усередині, оскільки він спілкувався із зовнішнім світом по 16-розрядній шині. Це означає, що дані між процесором і іншим комп'ютером переміщалися на наполовину меншою швидкості, ніж у 486DX. Четверта генерація процесорів була також 32-розрядною. Проте всі вони пропонували ряд удосконалень. По-перше, був повністю переглянутий весь дизайн 486 покоління, що саме по собі подвоїло швидкість. По-друге, всі вони мали 8kb внутрішнього кешу, прямо біля процесорної логіки. Таке кешування передачі даних від основної пам'яті значило, що середнє очікування процесора запитів до пам'яті на системній платі скоротилося до 4%, оскільки, як правило, необхідна інформація вже перебувала в кеші. Модель 486DX відрізнялася від 486SX тільки поставляється всередині математичним співпроцесором. Цей окремий процесор спроектований для проведення операцій над числами з плаваючою крапкою. Він мало застосовується в щоденних додатках, але кардинально змінює продуктивність числових таблиць, статистичного аналізу, систем проектування і так далі. Важливою інновацією було подвоєння частоти, введене в 486DX2. Це значить що усередині процесор працює на подвоєній стосовно зовнішньої електроніці швидкістю. Дані між процесором, внутрішнім кешем і співпроцесором передаються на подвоєній швидкості, приводячи до порівнянної набирання продуктивності. 486DX4 розвинув цю технологію далі, потроюючи частоту до внутрішніх 75 або 100MHz, а також подвоївши обсяг первинного кеша до 16kb. Pentium, визначивши п'яте покоління процесорів, значно перевершив у продуктивності попередні 486 чіпи завдяки декільком архітектурним змінам, включаючи подвоєння ширини шини до 64 біт. P55C MMX зробив подальші значні вдосконалення, подвоївши розмір первинного кеша і розширивши набір інструкцій оптимізованими для мультимедіа додатків операціями. Pentium Pro, з'явившись в 1995 році як спадкоємець Pentium, був першим у шостому поколінні процесорів й увів кілька архітектурних особливостей, не зустрічалися раніше у світі PC. Pentium Pro став першим масовим процесором, радикально змінив спосіб виконання інструкцій переведенням їх в RISC-подібні микроинструкции і виконанням їх у високорозвиненому внутрішньому ядрі. Він також чудовий значно більше продуктивним вторинним кешем щодо всіх колишніх процесорів. Замість використання базованого на системній платі кешу, що працює на швидкості шини пам'яті, він використовує інтегрований кеш другого рівня на своїй власній шині, що працює на повній частоті процесора, звичайно в три рази швидше кешу на Pentium-системах. Наступний новий чіп після Pentium Pro Intel представив через майже півтора року - з'явився Pentium II, дав дуже великий еволюційний крок від Pentium Pro. Це розпалило спекуляції, що одна з основних цілей Intel у виробництві Pentium II був відхід від труднощів у виготовленні дорогого інтегрованого кеша другого рівня в Pentium Pro. Архітектурно Pentium II не дуже відрізняється від Pentium Pro з подібним емулюють x86 ядром і більшістю схожих особливостей. Pentium II поліпшив архітектуру Pentium Pro подвоєнням розміру первинного кеша до 32kb, використанням спеціального кеша для збільшення ефективності 16-бітної обробки, (Pentium Pro оптимізований для 32-бітних додатків, а з 16-бітним кодом не звертається так само добре) і збільшенням розмірів буферів запису. Однак про основною темою розмов навколо нових Pentium II була його компонування. Інтегрований в Pentium Pro вторинний кеш, що працює на повній частоті процесора, був замінений у Pentium II на малу схему, що містить процесор і 512kb вторинного кеша, що працює на половині частоти процесора. Зібрані разом, вони укладені в спеціальний односторонній картридж (single-edge cartridge - SEC), призначений для вставляння в 242-піновий роз'єм (Socket 8) на нового стилю системних платах Pentium II. Основна структура Основні функціональні компоненти процесора Ядро: Серце сучасного процесора - виконуючий модуль. Pentium має два паралельних цілочисельних потоку, що дозволяють читати, інтерпретувати, виконувати й відправляти дві інструкції одночасно. Провісник розгалужень: Модуль пророкування розгалужень намагається вгадати, яка послідовність буде виконуватися щораз коли програма містить умовний перехід, так щоб пристрої попередньої вибірки й декодування одержували б інструкції готовими заздалегідь. Блок плаваючою точки. Третій виконує модуль всередині Pentium, виконує нецелочисленное обчислення Первинний кеш: Pentium має два внутрішньочипового кешу 8kb, по одному для даних і інструкцій, які набагато швидше більшого зовнішнього вторинного кеша. Шинний інтерфейс: приймає суміш коду і даних в CPU, розділяє їх до готовності до використання, і знову з'єднує, відправляючи назовні. Всі елементи процесора синхронізуються з використанням частоти годин, які визначають швидкість виконання операцій. Найперші процесори працювали на частоті 100kHz, сьогодні звичайна частота процесора - 200MHz, інакше кажучи, годинки цокають 200 мільйонів разів у секунду, а кожен тик спричиняє за собою виконання багатьох дій. Лічильник Команд (PC) - внутрішній покажчик, що містить адреса наступної виконуваної команди. Коли приходить час для її виконання, Керуючий Модуль поміщає інструкцію з пам'яті в регістр інструкцій (IR). У той же самий час Лічильник команд збільшується, так щоб вказувати на наступну інструкцію, а процесор виконує інструкцію в IR. Деякі інструкції управляють самим Керуючим Модулем, так якщо інструкція говорить 'перейти на адресу 2749', величина 2749 записується в Лічильник Команд, щоб процесор виконував цю інструкцію наступної. Багато інструкції задіють Арифметико-логічний Пристрій (ALU), що разом з Регістрами Загального Призначення - місце для тимчасового зберігання, що може завантажувати й вивантажувати дані з пам'яті. Типовою інструкцією ALU може бути додавання вмісту комірки пам'яті до регістра загального призначення. ALU також встановлює біти Регістра Станів (Status register - SR) при виконанні інструкцій для зберігання інформації про її результаті. Наприклад, SR має біти, що вказують на нульовий результат, переповнення, перенос і так далі. Модуль Управління використовує інформацію в SR для виконання умовних операцій, таких як 'перейти за адресою 7410 якщо виконання попередньої інструкції викликало переповнювання ". Це майже все що стосується самого загального розповіді про процесори - майже будь-яка операція може бути виконана послідовністю простих інструкцій, подібних описаним. Архітектурне розвиток Відповідно до закону Мура (сформульованим в 1965 році Гордоном Муром (Gordon Moore), одним із творців Intel), CPU подвоює свою потужність і можливості кожні 18-24 місяців. В останні роки Intel наполегливо дотримувався цього закону, залишаючись лідером на ринку і випускаючи могутніші чіпи процесорів для PC, ніж будь-яка інша компанія. У 1978 році 8086 працював на частоті 4.77MHz і містив менш мільйона транзисторів, на кінець 1995 року їх Pentium Pro уміщав уже 21 мільйон транзисторів і працював на 200MHz. Закони фізику обмежують розробників в безпосередньому збільшенні частоти, і хоча частоти зростають щороку, тільки це не може дати того приросту продуктивності, що ми використовуємо сьогодні. Ось чому інженери постійно шукають спосіб змусити процесор виконувати більше роботи за кожен тик. Одне розвиток полягає в розширенні шини даних і регістрів. Навіть 4-бітні процесори здатні складати 32-бітні числа, правда виконавши масу інструкцій, - 32-бітові процесори вирішують це завдання в одну інструкцію. Більшість сьогоднішніх процесорів мають 32-розрядну архітектуру, на порядку вже 64-розрядні. У давні часи процесор міг звертатися тільки з цілими числами. Єдиною можливістю було написання програм, що використовують прості інструкції для обробки дробових чисел, але це було повільно. Фактично всі процесори сьогодні мають інструкції для безпосереднього звернення з дробовими числами. Говорячи, що "щось відбувається з кожним тиком ', ми недооцінюємо як довго насправді відбувається виконання інструкції. Традиційно, це займало п'ять тиків - один для завантаження інструкції, інший для її декодування, один для отримання даних, один для виконання і один для запису результату. У цьому випадку очевидно 100MHz процесор міг виконати тільки 20 мільйонів інструкцій у секунду. Більшість процесорів сьогодні застосовують потокову обробку (pipelining), яка більше схожа на фабричний конвеєр. Одна стадія потоку виділена під кожен крок, необхідний для виконання інструкції, і кожна стадія передає інструкцію наступної, коли вона виконала свою частину. Це означає, що в будь-який момент часу одна інструкція завантажується, інша декодується, доставляються дані для третьої, четверта виконується, і записується результат для п'ятої. При поточній технології одна інструкція за тик може бути досягнута. Більш того, багато процесори зараз мають суперскалярную архітектуру. Це означає, що схема кожної стадії потоку дублюється, так що багато інструкцій можуть передаватися паралельно. Pentium Pro, прикладом, може виконувати до п'яти інструкцій за цикл тику. Процес виробництва Що відрізняє мікропроцесор від його попередників, сконструйованих з ламп, окремих транзисторів, малих інтегральних схем, такими якими вони були спочатку від повного процесора на єдиному кремнієвому чіпі. Кремній або силікон - це основний матеріал з якого виробляються чіпи. Це напівпровідник, який, будучи прісажен добавками за спеціальній масці, стає транзистором, основним будівельним блоком цифрових схем. Процес має на увазі витравлювання транзисторів, резисторів, що перетинаються доріжок і так далі на поверхні кремнію. Спершу вирощується кремінна болванка. Вона повинна мати бездефектну кристалічну структуру, цей аспект накладає обмеження на її розмір. У колишні дні болванка обмежувалася діаметром у 2 дюйми, а зараз поширені 8 дюймів. На наступній стадії болванка розрізається на шари, звані пластинами (wafers). Вони поліруються до бездоганної дзеркальної поверхні. На цій пластині й створюється чіп. Зазвичай з однієї пластини робиться багато процесорів. Електрична схема складається з різних матеріалів. Наприклад, діоксид кремнію - це ізолятор, з полісілікона виготовляються провідні доріжки. Коли з'являється відкрита пластина, вона бомбардується іонами для створення транзисторів - це й називається присадкою. Щоб створити всі необхідні деталі, на всю поверхню пластини додається шари і зайві частини витравлюється знову. Щоб зробити це, новий шар вкривається фоторезистором, на який проектується образ необхідних деталей. Після експозиції прояв видаляє ті частини фоторезистора, які виставлені на світло, залишаючи маску, через яку проходило витравлювання. Що залишився фоторезистор видаляється розчинником. Цей процес повторюється, по шару за раз, до повного створення всієї схеми. Зайве говорити, що деталі розміром у мільйонну частку метра може зіпсувати дрібна порошина. Така порошинка може бути всюди, розміром від мікрона до ста - а це в 3-300 разів більше деталі. Мікропроцесори виробляються в надчистої середовищі, де оператори одягнені в спеціальні захисні костюми. У колишні часи виробництво напівпровідників призводило до удачі чи невдачі з відношенням успіху менше 50% працюючих чіпів. Сьогодні вихід результату набагато вище, але ніхто не очікує на 100%. Як тільки новий шар додається на пластину, кожен чіп тестується й відзначається будь-яка невідповідність. Індивідуальні чіпи відокремлюються і з цієї точки звуться матрицями. Погані бракуються, а гарні упаковуються в PGA (Pin Grid Arrays) корпус - керамічний прямокутник із рядами штирьков на дні, саме такий корпус більшість людей приймають за процесор. 4004 використовував 10-мікронних процес: найменші деталі складали одну десятимільйонна метра. За сьогоднішніми стандартами це жахливо. Якщо припустити, що Pentium Pro виготовлений за такою технологією він був би розміром 14x20 сантиметрів, і був би повільним - швидкі транзистори малі. Більшість процесорів сьогодні використовують 0.25-мікронні технологію, і 0.1-мікронних процес - середньострокова перспектива для багатьох виробників. Програмна сумісність На зорі комп'ютерного століття багато людей писали свої програми, а точний набір виконуваних інструкцій процесора не був істотний. Сьогодні, однак, люди чекають можливість використовувати готові програми, так що набір інструкцій першочергово. Хоча нічого немає магічного з технічної точки зору в архітектурі Intel 80x86, вона вже давно стала індустріальним стандартом. Коли сторонні виробники роблять процесор з іншими інструкціями, він не буде працювати з прийнятим стандартним програмним забезпеченням, і в результаті не продається. У дні 386-х і 486-х компанії, наприклад AMD, клонували интеловские процесори, але це завжди було з відставанням у покоління. Cyrix 6x86 і AMD K5 були конкурентами интеловского Pentium, але це були не чисті копії. K5 мав власний набір інструкцій і транслював інструкції 80x86 у внутрішні при завантаженні, так що K5 не вимагав при проектуванні попереднього створення Pentium. Багато чого в дійсності створювалося паралельно, стримувала тільки схема трансляції. Коли K5 нарешті з'явився, він перестрибнув Pentium щодо продуктивності при однакових частотах. Інший шлях, по якому процесори з різною архітектурою щодо одноманітно до зовнішнього світу, - це стандартна шина. У цьому відношенні введена в 1994 році шина PCI - один з найбільш важливих стандартів. PCI визначає набір сигналів, які дозволяють процесору спілкуватися з іншими частинами PC. Він включає шини адреси і даних, плюс набір керуючих сигналів. Процесор має свої власні шини, так що чіпсет використовується для перетворення з цієї "приватної" шини в "публічну" PCI.

Pentium

Введення Pentium в 1993 році революціонізувало ринок PC, вклавши в корпус середнього PC більше потужності, ніж мала NASA в кондиціонованих комп'ютерних приміщеннях початку 60-х. Архетектури Pentium представляє крок вперед від 486.

Це був заснований на CISC чіп з більше 3.3 мільйонами транзисторів, вироблений по 0.35-мікронної технології. Усередині процесор використовував 32-розрядну шину, але зовнішня шина даних була 64-розрядна. Зовнішня шина вимагала інших материнських плат, і для їх підтримки Intel випустив спеціальний чіпсет для зв'язку Pentium з 64-розрядним зовнішнім кешем і шиною PCI.

Більшість Pentium (75MHz і вище) працюють на 3.3V з 5V введенням-виводом. У Pentium подвійний потоковий Суперскалярний дизайн, що дозволяє йому виконувати більше інструкцій за тик. П'ять стадій (завантаження, декодування, генерація адреси, виконання і вивантаження) при виконанні цілочисельних інструкцій залишаються, як у 486, але Pentium має два паралельних цілочисельних потоку, що дозволяють йому читати, інтерпретувати, виконувати, і записувати дві операції одночасно. Так проводяться тільки цілочисельні операції - з дробовими числами звертається окремий модуль плаваючою точки.

Pentium також використовує два 8-кілобайтні асоціативних буфера, більш відомих як первинний або першого рівня кеш) - один для інструкцій та іншої для даних. Об'єм кешу подвоєний в порівнянні з попередником, 486. Цей кеш додає до продуктивності, оскільки діє як тимчасове сховище інформації для даних, що доставляються з повільної основної пам'яті.

Буфер Розгалужень (BTB) забезпечує динамічний пророцтво розгалужень. Він покращує виконання інструкцій запам'ятовуванням способу галуження і застосуванням тієї ж галузі при наступному виконанні інструкції. Коли BTB робить правильне передбачення, продуктивність збільшується. 80-крапковий Модуль Плаваючою Точки забезпечує арифметичне засіб для поводження з "речовими числами".

Огляд процесорів

Pentium Pro

Интеловский Pentium Pro, випущений в кінці 1995 року з ядром CPU, що складається з 5.5 мільйонів транзисторів, плюс 15.5 мільйонів транзисторів у вторинному кеші, спочатку призначався для ринку серверів і high-end робочих станцій. Цей Суперскалярний процесор включає особливості процесорів вищої категорії та оптимізовано під 32-бітні операції.

Pentium Pro відрізняється від Pentium "наявністю вбудованого вторинного кеша розміром від 256kb до 1mb, що працює на внутрішній частоті. Приміщення вторинного кеша на чіпі, а не на системній платі, дозволяє передавати дані по 64-бітному каналу, а не за 32-бітної системної шині у Pentium. Така фізична близькість також додає до зростання продуктивності. Ця комбінація настільки потужна, що 256kb вбудованого кешу еквівалентні 2mb на системній платі.

Навіть великим фактором у продуктивності Pentium Pro є комбінація технологій, відомих як "динамічний виконання". Воно включає передбачення розгалужень, аналіз потоку даних і спекулятивне виконання. Їх комбінування дозволяє дозволяє процесору використовувати пропадає інакше цикли тиків, виробляючи передбачення програмного потоку виконання інструкцій вперед.

Pentium Pro був також першим процесором в сімействі x86 з застосуванням понад поточності (superpipelining), цей потік включає 14 стадій, що діляться на три секції. Чергова підготовча секція, обробна декодування і висновок інструкції, складається з восьми стадій. Позачергове ядро, яке виконує інструкцію, має три стадії і чергове завершення складається з трьох фінальних стадій.

Іншим, більш важливою відмінністю Pentium Pro є його звернення до інструкцій. Він отримує CISC (Complex Instruction Set Computer) x86 інструкції, і перетворює їх у внутрішній RISC (Reduced Instruction Set Computer) мікрокод. Перетворення спроектовано так, щоб уникнути деякі обмеження, успадковані від набору інструкцій x86, таких як нерегулярне декодування інструкцій і арифметичні операції регістр-в-пам'ять. Мікрокод потім пересилається в позачерговій виконавець інструкцій, який визначає, чи готова інструкція до виконання, і, якщо немає, пересуває код по колу, щоб запобігти застопореному потоку.

У міграції у бік RISC є свої мінуси. По-перше, перетворення інструкцій займає час, нехай воно навіть міряється в нано-або мікросекундах. У результаті Pentium Pro неминуче витрачає продуктивну потужність на обробку інструкцій. Другий мінус в тому, що позачерговий дизайн може частково впливати на 16-бітний код, приводячи до застопоріваніем. Це може бути причиною часткового поновлення регістра, що відбувається до повного читання регістра, і накладати суворі виробничі витрати до семи циклів тика.

Pentium Pro був першим мікропроцесором, що не використовують поважний Socket 7, вимагаючи більшого 242-контактного інтерфейсу Socket 8 і ново годізайна системних плат.

MultiMedia eXtensions

Процесор Intel's P55C MMX з мультимедіа розширенням випускається з початку 1997 року. Він представив найбільш значна зміна базисної архітектури процесорів PC за останні десять років і забезпечував три головні покращення:

• вбудований кеш першого рівня стандартного Pentium подвоювався до 32kb

• додано 57 нових інструкцій, призначених спеціально для більш ефективного маніпулювання відео, аудіо та графічними даними

• був розвинений новий процес, названий SIMD (Single Instruction Multiple Data - Одна Інструкція Багато Даних) і дозволяє виконувати однакову інструкцію до багатьох екземплярів даних одночасно.

Більший первинний кеш означає, що процесор має під рукою більше даних, зменшуючи потребу в отриманні даних з кеша другого рівня, що позитивно відбивається на всіх програмах. Нові інструкції, які застосовуються в сукупності з SIMD і вісьмома розширеними (64-бітними) регістрами, значно використовують паралелізм, коли вісім байт даних можна обробити за один цикл, а не по одному за цикл. Виходить спеціальне перевага для мультимедіа-та графічних додатків, таких як аудіо і відео де / кодування, масштабування образів і інтерполяція. Замість переміщення восьми пікселів графічних даних процесором по одному за раз, ці вісім пікселів можуть бути пересунуті як один 64-бітний пакет, і оброблені за один цикл.

За твердженнями Intel, ці вдосконалення дають 10-20% збільшення швидкості для не-MMX додатків, і більше 60% прискорення для MMX додатків.

Tillamook

Помітне відсутність MMX версії для ноутбуків Intel виправив в кінці 1997 року оголошенням мобільних версій процесора з кодовою назвою Tillamook, на ім'я невеликого міста в Opегоне. Нові процесори з частотою 200 і 233MHz і технологією MMX на деякий час висунули ноутбуки на рівень настільних систем. 226MHz версія була випущена пізніше в 1998 році.

Tillamook - це перший процесор, побудований на розвиненому Intel Mobile Module для ноутбуків (MMO). Модуль тримає процесор, 512kb вторинного кеша, регулятор напруги для живлення процесора від вищого зовнішньої напруги, годинник, і новий "північний міст" 430TX PCI. З'єднується з системною платою поруч з 280 роз'ємів, подібно SEC картриджу Pentium II.

Найбільшим відзнакою в самому чіпі було застосування 0.25-мікронної технології в порівнянні з застосовувалася раннє Intel в мобільних чіпах 0.28. Менший мікрон фактор вплинув на частоту і напругу: транзистори в процесорі (з електричними нулями та одиницями) ближче примикає, і швидкість автоматично збільшувалася. Так як транзистори зближувалися, напруга зменшувалася, щоб уникнути руйнувань від сильних електричних полів. Попередні версії мобільних интеловских процесорів харчувалися від 2.45v на ядрі, а в Tillamook воно було опушено до 1.8v. Регулятор напруги був потрібний для захисту чіпа від шин PCI і пам'яті, які працювали на 3.3v. Від зменшення напруги на процесорі значна економія енергії.

Pentium II

Випущений з середини 1997 року, Pentium II ввів ряд великих змін у світ процесорів PC.

По-перше, чіп і системний кеш другого рівня з'єднувалися по виділеній шині, здатної працювати на частоті шини процесор-система.

По друге, процесор, вторинний кеш і тепло відвід були на невеликій платі, вставлявшейся в роз'єм на системній платі, що більше нагадувало карту розширення, ніж традиційну схему процесор / гніздо. Intel охрестив це Single Edge Contact cartridge (SEC) - однобічно контактний картридж. У цьому картриджі знаходяться шість окремих компонент - процесор, чотири індустріально стандартних burst-static-cache RAM і один tag RAM. Дизайн SEC картриджа наділяв важливими перевагами. PGA-компоновка Pentium Pro вимагала 387 контактів, у той час як SEC-картридж - лише 242. Зменшення на третину числа контактів сталося завдяки наявності у картриджі дискретних елементів, таких як замикаючі резистори і конденсатори. Ці елементи забезпечують розщеплення сигналів, що значить набагато менше число необхідних роз'ємів живлення. Роз'єм SEC-картриджа використовує так званий Slot 1 і сприймається як приймає естафету у минаючого Socket 7.

Третє зміна - у більшому синтезі, так як Pentium II об'єднує Dual Independent Bus (DIB) від Pentium Pro c технологією MMX від Pentium MMX, формуючи новий вид - гібрид Pentium Pro / MMX. Таким чином, зовні дуже відмінний від попередніх интеловских процесорів, Pentium II внутрішньо являє собою суміш нових технологій і поліпшень старих чіпів.

І нарешті, на відміну від Pentium Pro, що працює на 3.3v, Pentium II харчується від 2.8v, дозволяючи Intel пускати його на великих частотах без надмірного збільшення вимогу до потужності. У той час, як 200MHz Pentium Pro з 512kb кешу споживає 37.9 ват, 266MHz Pentium II з 512kb кешу спалює 37.0 ват.

Подібно Pentium Pro, Pentium II застосовує интеловскую Технологію Динамічного Виконання. Коли програмна інструкція зчитується в процесор і декодується, вона потрапляє у виконуваний пул. Технологія Динамічного Виконання приймає три основні підходи до оптимізації поводження процесора з кодом. Численні Пророкування Розгалужень перевіряють програмний потік уздовж кількох гілок і прогнозують, де в пам'яті знаходиться наступна інструкція.

Коли процесор читає, він також перевіряє такі інструкції в потоці, прискорюючи в результаті робоче протягом. Аналіз Потоку Даних оптимізує послідовність, в якій інструкції виконуватися, перевіряючи декодовані інструкції та визначаючи, чи готові вони для обробки чи залежить від інших інструкцій. Спекулятивне Виконання збільшує швидкість таких інструкцій переглядом вперед від поточної інструкції та обробкою подальших інструкцій, які ймовірно можуть знадобиться. Ці результати зберігаються як спекулятивні до тих пір, поки процесор не визначить, які йому потрібні, а які - ні. З цієї точки інструкція повертається в нормальну чергу і додається до потоку.

У Технології Динамічного Виконання є дві основні переваги: ​​Інструкції обробляються швидше і ефективніше, ніж зазвичай, і, на відміну від CPU з застосуванням RISC архітектури, програми не треба перекомпілювати для отримання вигод процесора. Процесор все робить на льоту.

Значною нової особливістю є видалення вторинного кеша з власне процесора на окрему кремнієву пластину у картриджі. Процесор читає і пише дані в кеші використовуючи спеціалізовану високошвидкісну шину. Звана задньої (backside) шиною, вона відокремлена від системної шини процесор-пам'ять (зараз званої передній (frontside) шиною). Процесор може використовувати обидві шини одночасно, але архітектура подвійної незалежної шини має інші переваги.

Хоча шина між процесором і кешем другого рівня працює повільніше, ніж на звичайному Pentium Pro (на половині швидкості процесора), вона надзвичайно масштабируема. Чим швидше процесор, тим швидше кеш, незалежно від 66MHz передньої шини. До того ж, передня шина може бути збільшена з 66 до 100MHz без впливу на шину кеша другого рівня. Також очевидно, що наявність пам'яті на одному кристалі з процесором негативно позначається на відсотку виходу придатних 512kb Pentium Pro, зберігаючи високими ціни.
Pentium II спирається на GTL + (gunning-transceiver-logic) логіку хост-шини, допускає природну підтримку двох процесорів. Під час виходу це забезпечувало вартісно ефективне мінімалістське двухпроцессорное рішення, що допускається симетричної мультипроцессорностью (SMP). Двухпроцессорное обмеження накладалося не самим Pentium II, а підтримкою чіпсета. Початкове обмеження чіпсета двопроцесорної конфігурацією дозволяло Intel і постачальникам робочих станцій пропонувати двопроцесорні системи як тимчасове і економічне рішення, що по іншому і не було можливо. Це обмеження було зняте з середини 1998 року з виходом чіпсета 450NX, підтримує від одного до чотирьох процесорів. Чіпсет 440FX, якому чіпи PMC і DBX, не допускав чергування (interleaving) пам'яті, але підтримував EDO DRAM, дозволяючи покращувати продуктивність пам'яті зменшенням очікування.

Коли Intel проектував Pentium II, він також взявся за слабку 16-бітну продуктивність його попередника. Pentium Pro розкішно працює з повністю 32-бітним забезпеченням, таким як Windows NT, але опускається нижче стандартного Pentium, обробляючи 16-бітний код. Це тягне гірший ніж Pentium продуктивність під Windows 95, великі частини якої поки 16-бітний. Intel вирішила цю проблему використанням пентиумного кеша з дескрипторами сегментів в Pentium II.

Як і Pentium Pro, Pentium II надзвичайно швидкий в арифметиці плаваючою точки. У поєднанні з Accelerated Graphics Port (AGP) це робить Pentium II потужним рішенням для високопродуктивної 3D графіки.

Deschutes

333MHz втілення Pentium II під кодовою назвою Deschutes (по річці, що тече в Орегоні), було анонсовано на початку 1998 року з планованими протягом року 400MHz і вище. Ім'я Deschutes насправді належить до двох різних лініях CPU.

Версія для Slot 1 - нічого більше, ніж злегка еволюціонував Pentium II. Архітектура і фізичний дизайн ідентичні, за винятком того, що Deschutes Slot 1 частиною зроблений з використанням 0.25-мікронної технології, введеної восени 1997 року з ноутбучним процесором Tillamook, в порівнянні з 233-300MHz версіями, виконаними по 0.35-микронному процесу. Застосування 0.25-мікрон означає, що транзистори на матриці фізично ближче між собою і CPU споживає менше енергії, а отже розсіює менше тепла на даній частоті, дозволяючи ядру тікати великих частотах.

Все інше у Slot 1 Deschutes ідентично звичайному Pentium II. Змонтований на основу і укладений в SEC картридж, він підтримує набір інструкцій MMX і спілкується з 512kb вторинного кеша на половинній частоті ядра. Він має той же кінцевий коннектор, і працює на тих же системних платах з тими ж чипсетами. Як такий він працює з 440FX чи 440LX зовнішньої частоті 66MHz.

З весни 1998 року великий крок у продуктивності прийшов з наступним втіленням Deschutes, коли вийшов новий чіпсет 440BX, припускає 100MHz передачу по системній шині, зменшуючи закупорювання даних і підтримуючи частоти від 350 до 400MHz.

Інший процесор, що зветься Deschutes, відноситься до Slot 2, випущений з середини 1998 року як Pentium II Xeon. Intel розбив Slot 1 і Slot 2 Deschutes на взаємодоповнюючі товарні лінії, де Slot 1 призначений для масового виробництва, а Slot 2 націлений на high-end сервери і туди, де ціна вторинна по відношенню до продуктивності.

Мобільний Pentium II

Природне просування малопотужного (в сенсі енерго споживання / розсіювання) сімейства Pentium II Deschutes на ринок портативних PC здійснилося з випуском лінійки мобільних Pentium II в квітні 1998 року. Новий процесор і його компаньйон мобільний 440BX чіпсет, спочатку були доступні в 233 і 266MHz варіантах, скомпоновані в існуючий мобільний модуль (MMO) або новий міні-картридж формат. Intel очікує до кінця 1998 року більше половини з споряджених його мобільними процесорами PC будуть вже Pentium II, а термін мобільних Pentium II Tillamook закінчиться до середини 1999 року.

Celeron

У спробі кращого задоволення сектора дешевих PC, до теперішнього часу вотчини виробників клонів, AMD і Cyrix, які продовжують розвивати успадковану архітектуру Socket 7, Intel випустив свій ряд процесорів Celeron в квітні 1998 року.

Заснований на тій самій P6 архітектурі, як і Pentium II, і використовуючи той же 0.25-мікронних процес, Celeron-системи пропонують повний комплект останніх технологій, включаючи підтримку AGP графіки, ATA-33 жорстких дисків, SDRAM і ACPI. Celeron буде працювати на будь-якому интеловском Pentium II чіпсеті, підтримують 66MHz системної шини, включаючи 440LX, 440BX і новий 440EX, спеціально спроектований на ринку "базових" PC. На відміну від Pentium II з його SEC картриджем, Celeron немає захисного пластикого покриття навколо карт процесора, що Intel називає Single Edge Processor Package (SEPP). Він повністю сумісний зі Slot1, що дозволяє використовувати існуючі плати, але механізм кріплення для карти CPU не адаптований для форм фактору SEPP.

Перші 266 і 300MHz Celeron без кеша другого рівня зустріли мало ентузіазму на ринку, не несучи чи несучи мало переваг над системами-клонами Socket 7. У серпні 1998 року Intel поповнив ряд Celeron сімейством процесором, названих Mendocino. Забезпечений 128kb вторинного КЕА на матриці, що працює на повній частоті процесора, і з'єднуючись через зовнішню 66MHz шину, новий Celeron став набагато більш живим, ніж його млявий попередник. Почасти плутано, дві доступні версії отримали назви Celeron 333 і 300a. Перший є основною версією, сумісний з існуючої интеловской архітектурою, в той час як другий патентує Pin 370 socket, відмінний від Socket 7 і Socket 1, націлений на дешеві low-end машини.

Pentium II Xeon

У червні 1998 року Intel запропонував свій процесор Pentium II Xeon. Технічно Xeon представляє комбінацію технологій Pentium Pro і Pentium II і спроектований, щоб запропонувати видатну продуктивність в критичних додатках робочих станцій і серверів. Використовуючи новий інтерфейс Slot 2, Xeon приблизно вдвічі більше розміру Pentium II, в основному через збільшення кеша другого рівня.

Як і 350 і 400MHz Pentium II CPU, передня шина працює на 100MHz для збільшення обміну. Найбільш значною відмінністю від стандартного Pentium II є те, що кеш другого рівня працює на повній частоті ядра CPU, на відміну від дизайну Slot 1, що обмежує вторинний кеш половиною частоти ядра, що дозволяє Intel використовувати дешевий готовий burst SRAM як вторинний кеш, а не виробляючи свій власний замовний SRAM. Набагато більш дорогий замовний полноскорстной кеш служить головною причиною різниці в цінах між Slot 1 і Slot 2 рішеннями.

Чіп поставляється з трьома розмірами вторинного кеша. Робочі станції забезпечуються 512kb версією. 1mb версія, випущена пізніше, використовується для серверів, до тих пір, поки 2mb версія очікується (пізніше в цьому році). Система кеша другого рівня подібна типу, використовуваного у Pentium Pro, це одна з основних складових вартості Xeon. Інша полягає в тому, що коригуючий помилки (ECC) SRAM став стандартом у всіх Xeon-ах.

Іншим подоланим Xeon'ом обмеженням став дуальний SMP (symmetric multiprocessor). Неможливість запуску мультипроцесорних Pentium II систем з більш ніж двома процесорами було основною причиною виживання Pentium Pro в секторі high-end серверів, коли потрібно чотири, шість або вісім процесорів. Slot 2 забезпечує чотиристоронню мультипроцессорность.

Хоча Intel вирішив направити Xeon на обидва ринки - робочих станцій і серверів, він розробив різні чіпсети системних плат для кожного з них. 440GX побудований навколо архітектури ядра 440BC чіпсета і призначений для робочих станцій. 450NX, з іншого боку, спроектований спеціально для ринку серверів.

Майбутні розробки Intel

Intel зараз має в розробці ряд процесорів

• Katmai, названий на честь вулкана на Алясці, відзначений як нова версія Pentium II. Katmai буде заснований на P6 архітектурі, розпочатої Pentium Pro. Подібно Deschutes, цей чіп будується на интеловском 0.25-микронном процесі. Найбільш значною відмінністю буде ревізія MMX розширення підняттям MMX2 до. MMX2 містить більше 32-бітних інструкцій - існуючий MMX багато в чому 16-Битень - і значно покращує продуктивність 3D графіки. Інші зміни включають 100MHz зовнішню шину, збільшений Level 1 кеш і нову логіку ядра чіпсета, спроектовану для подолання 500MHz кордону швидкості Pentium II. Katmai найбільш ймовірно побачить світ на початку 1999 року.

• Dixon, наступний представник сім'ї Mendocino, обіцяється в другій половині 1999 року. Ймовірно, він буде включати більше кеша другого рівня (192 або 256kb) і Katmai New Instructions (KNI), нарешті повністю витіснили MMX.

• Willamette, названий за іншою орегонської річці, - зміна ходи Intel. З розвиненим ядром Pentium Pro і можливістю 100MHz зовнішньої шини, Willamette очікується більш ніж на 50% швидше існуючих Pentium II. Willamette за чутками посилить продуктивність плаваючою точки і підтримку 3D геометрії. Він знайде свій шлях на ринок в кінці 1999 року, але не стане масовим в настільних системах до 2000-го.

• Merced, названий по каліфорнійської річці, відзначить кінець процесорів, що використовує x86 архітектуру. Результат спільного проекту досліджень Hewlett-Packard і Intel, Merced стане першим процесором, що використовують повний 64-бітний IA-64 набір інструкцій. Це повинно привести до продуктивності, яка перевершує старі RISC і CISC процесори. Merced, однак, ще буде здатний виконувати x86 інструкції, але не без шкоди в продуктивності. Merced, поява якого очікується до середини 2000 року, позиціонується як нова ера в обчислювальної потужності. Він, ймовірно, буде обслуговувати в основному ринок серверів і робочих станцій, у той час як Willamette, по суті обрізана версія Mersed, буде працювати в high-end персональних комп'ютерах.