Pentium 4 – новый этап развития архитектуры высокопроизводительных компьютеров
(продолжение)

Евгений Рудометов, Виктор Рудометов.
authors@rudometov.com

< <К началу статьи

Процессор Pentium 4 позиционируется как мощный процессор, ориентированный на выполнение задач с минимальным количеством ветвлений. К таким задачам относятся, например, приложения, связанные с Интернетом, а также задачи мультимедиа, значение и доля которых постоянно возрастает. Увеличению производительности в данном классе задач способствовало использование 128-разрядного порта для операций плавающей арифметики, а также применение 128-разрядных целочисленных SIMD-операций. Новые команды SSE2 позволяют увеличить скорость обработки аудио- и видеоинформации. При этом, конечно, используются новые возможности архитектуры Pentium 4, включая большую длину конвейера и высокие frequency работы элементов, составляющих внутреннее устройство ядра.

Следует отметить, что высокая рабочая частота потребовала не только коренной переработки внутренней структуры процессора, но и внесения соответствующих изменений в архитектуру компьютера и разработки соответствующих элементов окружения, представленных микросхемами системной логики — чипсетом.

Прежде всего, изменения коснулись шины процессора — FSB. Ни для кого не секрет, что именно этот важный элемент архитектуры системы часто является узким местом в достижении высоких значений производительности компьютера. Недостаточная пропускная способность этой шины нередко сопровождается недостаточной загрузкой процессора за счет появления дополнительных циклов ожидания готовности шины. В результате процессор простаивает, что ведет к снижению эффективности его работы, а в итоге и всей системы компьютера. Особенно это касается высокопроизводительных процессоров с высокими значениями внутренних рабочих частот. Данное обстоятельство хорошо известно не только специалистам, но и квалифицированным пользователям.

В борьбе за пропускную способность шины, а в конечном счете, и общей производительности в архитектуре компьютера произошло сначала увеличение разрядности шины процессора до 64 разрядов, а в дальнейшем и frequency ее работы до 133 МГц. Однако дальнейший рост тактовой frequency затруднителен, и разработчики избрали другой путь повышения пропускной способности шины процессора.

Первой в поиске альтернативных путей в достижении высоких значений пропускной способности шины стала компания AMD, которая в своих процессорах Athlon использует высокоскоростную шину Alpha EV6. Данная шина осуществляет передачу данных по переднему и заднему фронтам тактовых импульсов. Это позволяет при тактовой частоте 100 МГц обеспечить передачу данных с частотой 200 МГц, а при частоте 133 МГц — передачу с частотой 266 МГц.

Нашла свое оригинальное решение и фирма Intel. Совместно с процессором Pentium 4 она внедряет новый стандарт шины FSB, унаследовавший лучшие свойства своих предшественников. Новая шина процессора при тактовой частоте 100 МГц осуществляет передачу данных с частотой 400 МГц (Quad-pumped — 4X) при передаче и обработке адресной части с частотой 200 МГц (2X). Такая организация значительно увеличивает пропускную способность шины процессора, обеспечивая лучшую сбалансированность системы по отношению к управлению информационными потоками. Пропускная способность новой шины достигает 3,2 Гбайт/c. Для сравнения следует напомнить, что традиционная шина FSB, используемая с процессорами Pentium III, при частоте 133 МГц обладает пропускной способностью 1,06 Гбайт/c, что, очевидно, является недостаточным показателем для современных высокопроизводительных систем.

Однако новый стандарт шины потребовал внесения соответствующих корректив в архитектуру компьютера и разработку соответствующих элементов окружения процессора, основу которых составляет чипсет.

Как известно, внутренняя структура и функциональные возможности чипсетов должны быть тесно связаны с особенностями архитектуры конкретных вариантов процессоров, на работу с которыми они ориентированы. От этих элементов в значительно зависит реализация потенциальных возможностей комплектующих, к которым относятся процессы, видеоадаптеры, модули оперативной памяти, жесткие диски и т. д. От эффективной работы компонентов чипсета, как правило, зависит и такой важный параметр компьютера, как производительность.

Первым чипсетом, ориентированным на процессоры Pentium 4, стал i850, разработанный и выпущенный фирмой Intel. Структура чипсета i820, как и его предшественников, базируется на использовании архитектуры хаба, которая позволяет оптимизировать структуру компьютера и ускорить информационный обмен между устройствами с минимальной загрузкой процессора для подобных операций.

Как и в предыдущих разработках линии специализированных наборов i8xx, в качестве основной шины для соединения хабов, входящих в состав чипсета, применяется закрытая 8-разрядная шина, обеспечивающая пропускную способность до 266 Мбайт/с. Шина PCI, используемая для этих целей в чипсетах традиционной архитектуры, обеспечивает пропускную способность 133 Мбайт/c. Встроенный интерфейс работы с памятью (DRAM interface) поддерживает два канала памяти Direct Rambus, ориентированных на использование соответствующих модулей DRDRAM (Direct Rambus DRAM). При использовании модулей PC800 и тактовой частоте канала 400 МГц такая архитектура подсистемы оперативной памяти обеспечивает скорость передачи 3,2 Гбайт/с. Ранее данное значение скорости передачи данных было доступно только в относительно дорогих системах с чипсетом i840 (i840 Chipset), который был специально разработан для высокопроизводительных мультипроцессорных систем на базе процессоров Pentium III и Pentium III Xeon, и из-за высокой цены было недоступно для пользователей компьютеров типа Desktop. Максимальный объем памяти DRDRAM, представленной соответствующими модулями RIMM, может достигать величины 1 Гбайт при использовании микросхем 128 бит и 2 Гбайт — в случае с микросхемами 256 бит. Встроенный в состав чипсета интерфейс AGP обеспечивает работу видеоадаптера с поддержкой режимов AGP 1X/2X/4X (1,5 В). При этом он может быть внешним или интегрированным в архитектуру материнской платы.

Управление периферийными устройствами осуществляет хаб ввода/вывода (I/O) — I/O Controller Hub (ICH2), прошедший апробацию в составе ранее выпущенных чипсетов i820E и i815E. В состав хаба ICH2 входят следующие контроллеры: интерфейса с MCH, 2-канального UltraDMA/100 IDE (4 устройства IDE, чтение до 100 Мбайт/с, запись до 89 Мбайт/с), 2 USB (всего 4 порта), I/O APIC, SMBus, интерфейса с FWH, LPC (позволяет подключать устройства ISA и X-Bus, такие как Super I/O, контроллеры клавиатуры, гибкого дисковода, параллельного, последовательного портов), AC'97 2.1 (до 6 каналов аудио), PCI 2.2 (до 6 устройств PCI), LAN (c Intel 82562EH — 1 Мбит/с HomePNA, Intel 82562ET — 10/100 Мбит/с Ethernet), System и Power Management. Базовый вариант чипсета i850 состоит из трех микросхем: 82850 Memory Controller Hub (MCH) в конструктиве 615 OLGA (13x35 мм), 82801BA I/O Controller Hub (ICH2), 82802 Firmware Hub (FWH).

Системы на основе чипсета i850 и процессоров Pentium 4 обладают высокой производительностью и широкими функциональными возможностями и позиционированы для рабочих станций (Workstation) и мощных настольных компьютеров (Performance Desktop). Данные системы могут быть использованы для решения самых различных задач, но наиболее ярко возможности новой архитектуры проявляются в области обработки аудио- и видеоинформации. Практически сразу после объявления процессора Pentium 4 и чипсета i850 Chipset производители, традиционно поддерживающие тесные связи с фирмой Intel, и, конечно, сама фирма-разработчик новых процессора и чипсета поспешили продемонстрировать соответствующие материнские платы. Именно эти комплектующие несут на себе отпечаток новой архитектуры, обеспечивают реализацию потенциальных возможностей указанных элементов и в значительной степени определяют характеристики компьютера. Ниже приведены основные параметры материнской платы D850GB фирмы Intel, основой которой стал чипсет i850.

Материнская плата D850GB фирмы Intel была создана в соответствии с рекомендациями разработчиков новых процессора и чипсета. Эта плата стала своеобразным стандартом материнских плат для процессоров нового и перспективного поколения Pentium 4. Учитывая особенности электропитания этих высокопроизводительных процессоров, а также высокие скорости передачи данных, характерные для новой архитектуры, производители материнских плат вынуждены придерживаться дизайна, эталоном которого стала плата D850GB фирмы Intel, хотя некоторые и пытаются вносить несущественные изменения и дополнения.

Более полно возможности платы D850GB фирмы Intel, а также изделий ряда основных производителей материнских плат будут рассмотрены в одной из следующих статей.

Полная версия данной статьи опубликована в журнале "Экспресс-Электроника" (N4, 2001)

Перейти к разрелу Процессоры