Pentium Pro

Allikas: Vikipeedia

Pentium Pro on kuuenda põlvkonna x86-mikroprotsessor, mida arendas ja tootis Intel ning mida tutvustati avalikkusele 1. novembril 1995. Koos uue protsessoriga tutvustati mikroarhitektuuri P6 (ka tuntud kui i686), mille algne eesmärk oli Pentiumi asendamine paljudel kasutusaladel. Kui Pentium ning Pentium MMX sisaldasid vastavalt 3,1 ja 4,5 miljonit transistorit, siis Pentium Pro sisaldas 21 miljonit transistorit. [1] Kuigi algselt plaaniti Pentium Prole laialdast kasutusala, kasutati protsessorit hiljem peamiselt serverites ning superarvutites (näiteks ASCI Red).[2] Pentium Pro kasutab protsessoripesa Socket 8 ning on võimeline töötama kahe- ja neljaprotsessorilistes konfiguratsioonides. 1998. aastast alates asendas Pentium II Xeon Pentium Pro.

Pentium Pro Black Edition eestvaade

Mikroarhitektuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ülevaade[muuda | redigeeri lähteteksti]

P6 oli täiesti uus mikroarhitektuur, mis pigem eraldus Pentiumi mikroarhitektuurist kui laiendas seda. Uus arhitektuur kasutas 14-etapilist mitmeastmelist mittelineaarset käsukonveierit. Käsukonveierile lisati juurde dekodeerimisetappe, et võimaldada IA-32 käskude tõlkimist puhverdatud mikrooperatsioonideks (μopideks). Neid (μope) oli võimalik analüüsida, ümber järjestada ning ümber nimetada, et tuvastada ning võimaldada μopide samaaegset saatmist mitmetesse täiturüksustesse. Seega võimaldas P6 arhitektuur käskude järjekorravälist täitmist ning käskude spekulatiivset täitmist, kasutades selleks registrite ümbernimetamist. Lisaks oli uuel mikroarhitektuuril 36-bitine aadressisiin (kasutatav füüsilise aadressi laiendusega), mis võimaldas protsessoril adresseerida kuni 64 GB muutmälu. Pentium Pro oli esimene protsessor, mis rakendas füüsilise aadressi laiendust (inglise keeles physical address extension ).


Pentium Prol on 8 KiB vahemälu käskude jaoks, millest iga takti ajal võetakse kuni 16 baiti ning saadetakse käsudekooderitele. Kasutatake kolme sorti dekoodereid: üks suudab dekodeerida mistahes x86 käsku, ülejäänud kaks suudavad dekodeerida ainult lihtsamaid x86 käske. See halvendab mitmete käskude samaaegset dekodeerimist, mis piirab protsessori superskalaarsust. x86 käsud dekodeeritakse 118-bitisteks μopideks. Käsud, mis opereerivad mäluga, vajavad täitmiseks vähemalt kolme μopi. Pentium Pro üldine (kõiki x86 käske dekodeerida suutev) käsudekooder suudab genereerida kuni neli μopi takti kohta. See tähendab, et mäluoperatsioonidega seotud x86 käske suudab töödelda ainult üldine käsudekooder. Ülejäänud kaks lihtsate käskude dekoodrid suudavad töödelda ainult selliseid x86 käske, mida on võimalik tõlkida üheks μopiks. Enam kui nelja μopi nõudvad käsud tõlgitakse järjestaja abiga, mis genereerib vajalikud mikrooperatsioonid mitme takti vältel.


Peale ümberjärjestuspuhvrist väljumist suunduvad μopid reservi ning jäävad täitmist ootama. Iga takti ajal on võimalik saata ülimalt viis μopi viite täiturüksusesse (inglise execution unit). Pentium Prol on kokku kuus täiturüksust :[3] kaks üksust täisarvude, üks ujukomaarvudega arvutamise jaoks, üks andmete laadimiseks, üks aadressi salvestamiseks ning üks andmete salvestamiseks. Üks täisarvude täiturüksus jagab samu kontake ujukomaarvude täiturüksusega, mistõttu suudab Pentium Pro edastada ainult ühe täisarvu μopi ning ühe ujukomaarvu μopi või kaks täisarvu μopi ühe taktiga (lisaks teistele täiturüksustele edastatavatele μopidele). Ainult üks kahest täisarvude täiturüksustest sisaldab kõiki täisarvudega sooritatavaid operatsioone (bitikaupa nihutamine, korrutamine, jagamine jne). Teine, mittetäielik täiturüksus, suudab teha vaid lihtsaid arvutusi nagu liitmine, lahutamine ja haru sihi aadresside (inglise keeles branch target address) arvutamine.


Ujukomaarvude täiturüksus, nagu nimigi ütleb, opereerib ujukomaarvudega. Liitmine ja korrutamine on konveierdatud ning on vastavalt kolme- ja viietaktilise latentsusega. Jagamine ning ruutjuure võtmine ei ole konveierdatud, neid operatsioone täidetakse eraldi üksustes, mis jagavad ujukomaarvude täiturüksusega kontakte. Eelmainitud operatsioonidel on vastavalt 18–36 ning 29–69 taktiline latentsus. Väikseim latentsus on 32-bitiliste (inglise keeles single precision floating point) ujukomaarvudega ning suurim 80-bitiliste (inglise keeles extended precision) arvudega.

Peale mikroprotsessori väljalaset avastati programmiviga ujukomaarvude täiturüksuses, mida tuntakse üldiselt "Pentium Pro and Pentium II FPU bug" nime all ning millele Intel andis nime "flag erratum". Programmiviga tekib teatud tingimustel ujukomaarvust täisarvuks teisendamisel siis, kui ujukomaarv ei mahu väiksemasse täisarvuformaati. See programmiviga muudab ujukomaarvude täiturüksuse käitumist tundmata viisil. Arvatakse, et programmiviga on vähetähtis ning esineb nii erilistel juhtudel, et ainult väga väheste programmide töö sellest veast (kui üldse) häirub.

Ühel või teisel kujul kasutas Intel P6 mikroarhitektuuri üle kümne aasta.

Jõudlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pentium Pro jõudlus 32-bitist koodi jooksutamisel oli suurepärane ning tolleaegsetest vanematest Pentiumitest 25–35% ees. 16-bitist koodi jooksutades ei erinenud Pentium Pro jõudlus Pentiumitest. Pentium Pro tootmise algusaastatel olid personaalarvutite kasutajate seas populaarsed operatsioonisüsteemid 16-bitine MS-DOS, 16/32-bitine Windows 3.1x ning 32/16-bitine Windows 95. Kuna Pentium Pro jõudlus 16-bitise koodi jooksutamisel oli võrdne vanemate Pentiumitega ja protsessori hind oli kõrge, oli Pentium Pro tavakasutajate seas ebapopulaarne. Et kasutada uue P6 mikroarhitektuuri kõiki eeliseid, oli kasutajal vaja jooksutada täielikult 32-bitist operatsioonisüsteemi nagu Windows NT 3.51, Linux, Unix või OS/2.

Mitte ükski Pentium Pro mudel ei rakendanud ühe käsuvoo ja mitme andmevooga (inglise keeles SIMD) käsukomplekti, mis pani märgatava piiri protsessori jõudlusele multimeediarakenduste jooksutamisel.

Tolleaegsete kiireimate kärbitud käsustikuga (inglise keeles RISC) protsessoritega võrreldes oli Pentium Pro natuke kiirem täisarvudega opereerimises (mõõtmiseks kasutati SPECint95 reeperit).[4] Ujukomaarvudega opereerimine oli märkimisväärselt aeglasem, osadest kärbitud käsustikuga protsessoritest kaks korda aeglasem.[4] Pentium Pro oli täisarvudega opereerimises kiireim lühikest aega: esimesena ületas ta kiiruse MIPS Technologies protsessor R10000 1996. aasta jaanuaris ning hiljem Digital Equipment Corporationi Alpha 21164 EV56 variant.

Innovatsioon vahemälus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tõenäoliselt kõige märkimisväärsem lisa Pentium Pro protsessorile oli protsessori korpusesesisene L2 vahemälu, mis protsessori esmaväljalaskel oli 256 KiB suurune (hiljem kuni 1 MiB). Tollal ei võimaldanud protsessorite tootmistehnoloogia hõlpsasti integreerida suurt L2 vahemälu protsessori tuuma sisse. Intel paigaldas L2 vahemälu protsessori korpusesse protsessori kõrvale. See võimaldas L2 vahemälul töötada samal taktsagedusel nagu protsessori tuum. Lisaks sellele oli Pentium Pro vahemälul eraldi tagasiin, mis võimaldas keskprotsessoril lugeda muutmälu ning vahemälu samaaegselt (kui L2 vahemälu paigutati emaplaadile, siis enamikul emaplaatidel jagas ta protsessoriga süsteemisiini), leevendades laialtlevinud kitsaskohta. Uus L2 vahemälu oli "mitte-blokeeriv", mis tähendas, et protsessor võis vahemällu saata korraga kuni 4 päringut. Nende omaduste tõttu oligi uus L2 mälu ülikiire võrreldes vanemate protsessorite vahemäludega, mis asusid emaplaadil. Ainuüksi uus ning kiirem vahemälu andis Pentium Prole võrreldes vanemate x86 protsessoritega sisend/väljund-operatsioonide täitmise kiiruses eelise. Mitmeprotsessorilistes konfiguratsioonides andis Pentium Pro uus korpusesisene vahemälu ületamatu eelise jõudluses võrreldes konfiguratsioonidega, kus igal protsessoril oli jagatud, keskne vahemälu.


Tuleb tõdeda, et see märkimisväärselt kiirem L2 vahemälu oli teatavate puudustega. Pentium Pro "korpusesisese vahemälu" oli erilise ülesehitusega. Protsessor ja vahemälu olid eraldi kividel samas korpuses ning neid ühendas täiskiirusel siin. Need kaks või kolm kivi tuli tootmisprotsessis ühendada väga vara, enne, kui neid oli võimalik testida. See tähendas, et väiksemagi vea korral üheski kivis tuli kogu ühendus ära visata. See oli ka üks põhjustest, miks Pentium Pro protsessorid olid madala saagise ning kõrge hinnaga. Kõik Pentium Pro mudelid olid kallid, eriti 1024 KiB vahemäluga protsessorid, kuna need vajasid kahte 512 KiB vahemälukivi ning lisaks veel protsessorikivi.

200MHz 256KiB L2 vahemäluga Pentium Pro. Protsessorikivi on nähtaval vasakul, vahemälukivi paremal.

Saadaolevad mudelid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pentium Pro mudelite taktsagedused olid 150, 166, 180 või 200 MHz ning esisiinide taktsagedused olid 60 või 66 MHz. Mõned Pentium Pro kasutajad otsustasid oma protsessorid ülekiirendada, jooksutades 200 MHz protsessorit kiirusel 233 MHz, 180 MHz protsessorit kiirusel 200 MHz ja 150 MHz protsessorit kiirusel 166 MHz. Protsessor oli populaarne valik sümmeetrilise multitöötlusega (SMP-töötlusega) konfiguratsioonides.

Tuuma taktsagedus Siini taktsagedus Taktsageduse kordistaja Andmesiin Aadressisiin Transistorite arv L1 vahemälu L2 vahemälu
150 MHz 60 MHz 2,5 64 bitti 36 bitti 21 000 000 8+8 KiB 256 KiB
166 MHz 60 MHz 2,5 64 bitti 36 bitti 36 500 000 8+8 KiB 256 KiB
180 MHz 60 MHz 3,0 64 bitti 36 bitti 21 000 000 8+8 KiB 256 KiB
200 MHz 66 MHz 3,0 64 bitti 36 bitti 21 000 000 8+8 KiB 256 KiB
200 MHz 66 MHz 3,0 64 bitti 36 bitti 36 500 000 8+8 KiB 512 KiB
200 MHz 66 MHz 3,0 64 bitti 36 bitti 67 500 000 8+8 KiB 1024 KiB

Tootmisprotsesside areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Aja möödudes muutusid Pentium Pro protsessorikivi ning vahemälukivi tootmisprotsessid, mis kulmineerus paljude erinevate tootmisprotsesside kasutamisega ühes protsessoris.

  • 133 MHz Pentium Pro prototüübi protsessorikivi valmistati 0,6 µm BiCMOS protsessi kasutades.[5][6]
  • 150 MHz Pentium Pro protsessorikivi valmistati 0,50 µm BiCMOS protsessi kasutades.[6][7]
  • 166, 180, ja 200 MHz Pentium Pro protsessorikivid valmistati 0,35 µm BiCMOS protsessi kasutades.[6][7]
  • 256 KiB L2 vahemälukivi valmistati 0,50 µm BiCMOS protsessi kasutades.[6][7]
  • 512 ja 1024 KiB L2 cache vahemälukivi valmistati 0,35 µm BiCMOS protsessi kasutades.[6][7]

Protsessori korpus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pentium Pro (kuni 512 KiB vahemäluga) asub keraamilises mitmekiibilises moodulis. Mitmekiibilises moodulis on kaks alumist õõnsust, milles asuvad protsessorikivi ning vahemälukivi. Kivid on ühendatud soojusehajutajaga, mille katmata pealispind aitab kivide töötamisel tekkinud kuumust paremini jahutisse juhtida (näiteks radiaatorisse). Kivid on korpusega ühendatud traatidega. ֵÕõnsused on kaetud keraamilise plaadiga.

Pentium Pro, millel on 1 MiB vahemälu, asub plastikust mitmekiibilises moodulis. Kahe õõnsuse asemel on temas ainult üks õõnsus, milles asuvad kõik kolm kivi. Soojusehajutaja asemel on need kivid ühendatud protsessori korpusega. Õõnsused on täidetud epoksüliimiga.

Mitmekiibilises moodulis on 387 jalga, millest ligikaudu pooled on PGA (inglise keeles pin grid array) paigutusega ning ülejäänud IPGA (inglise keeles interstitial pin grid array) paigutusega. Protsessori kest kujundati Socket 8 jaoks.

Uuendamisvõimalused[muuda | redigeeri lähteteksti]

1998. aastal anti välja 300/333 MHz Pentium II Overdrive protsessor, mis kasutas pesa Socket 8. Protsessori, millel oli 512 KiB täiskiirusel töötavat vahemälu, tegi Intel selle jaoks, et anda Pentium Prod kasutavatele arvutitele uuendamisvõimalus. Kuna uus protsessor toetas ainult kahesuunalist vahetut (inglise keeles glueless) multitöötlust, mitte nelja- või enamasuunalist, polnud ta uuendusena kasutatav neljaprotsessorilistes süsteemides.

Kui Slot 1 pesaga emaplaadid muutusid populaarsemaks, andsid mitmed tootjad välja pesaadaptereid (inglise keeles slocket), nagu näiteks Tyan M2020, Asus C-P6S1, Tekram P6SL1 ja Abit KP6. Nende adapterite abiga oli võimalik kasutada Pentium Pro protsessoreid Slot 1 pesaga emaplaatidel. Intel 440FX kiibistik toetas täielikult Pentium Pro ning Pentium II protsessoreid, kuid Intel 440BX kiibistik ning hilisemad Slot 1 kiibistikud neid protsessoreid enam ei toetanud, mis oluliselt vähendas Socket 8 pesaadapterite kasutust. Kuid hiljem, peale pesa Socket 370 kasutavate protsessorite Celeron ja Pentium III väljalaskmist, muutusid pesaadapterid (Socket 370-to-Slot 1) uuesti populaarseks.

Pentium Pro/6nda põlvkonna konkurendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. cpu-collection.de. Intel Pentium Pro. Kasutatud 4. detsember 2013.
  2. ASCI Red: Sandia National Laboratory. TOP500 Supercomputer Site". Kasutatud 4. detsember.
  3. Intel Architecture Optimization Manual. Kasutatud 4. detsember 2013.
  4. 4,0 4,1 Slater, Michael (13 November 1995). "Intel Boosts Pentium Pro to 200 MHz". Microprocessor Report.
  5. Papworth, David B. (April 1996). "Tuning the Pentium Pro Microarchitecture". IEEE Micro, pp. 14–15.
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Intel® Pentium® Pro Processors - Fact Sheet. Kasutatud 4. detsember.
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 Michael Slater. "Intel Boosts Pentium Pro to 200 MHz". Microprocessor Report, Volume 9, Number 15, November 13, 1995. MicroDesign Resources.