Pentium II: Архитектура, особенности и эволюция

Введение

Микропроцессор Intel

Марка Pentium II относится к микроархитектуре Intel шестого поколения ("P6") и совместимым с x86 микропроцессорам, представленным 7 мая 1997 года. Содержащий 7,5 миллионов транзисторов (27,4 миллиона в случае мобильного Dixon с 256 КБ L2 кэша на кристалле), Pentium II представлял собой улучшенную версию ядра первого поколения P6 процессора Pentium Pro, содержавшего 5,5 миллионов транзисторов. Однако его подсистема L2 кэша была упрощена по сравнению с Pentium Pro. Это одноядерный микропроцессор. В 1998 году Intel разделила семейство Pentium II, выпустив линейку процессоров Celeron на основе Pentium II для компьютеров начального уровня и линейку Pentium II Xeon для серверов и рабочих станций. Celeron характеризовался уменьшенным или отсутствующим (в некоторых случаях присутствующим, но отключенным) полноскоростным L2 кэшем на кристалле и 66 МТ/с FSB. Xeon отличался диапазоном полноскоростного L2 кэша (от 512 КБ до 2048 КБ), FSB 100 МТ/с, другим физическим интерфейсом (Slot 2) и поддержкой симметричной мультипроцессорности. В феврале 1999 года Pentium II был заменен почти идентичным Pentium III, который лишь добавил новый набор инструкций SSE. Однако старые модели продолжали производиться до июня 2001 года для настольных компьютеров, сентября 2001 года для мобильных устройств и до конца 2003 года для встраиваемых устройств. В отличие от предыдущих процессоров Pentium и Pentium Pro, процессор Pentium II поставлялся в модуле для слота, а не в сокете процессора. Процессор и связанные с ним компоненты размещались на дочерней плате, аналогичной типичной плате расширения, в пластиковом картридже. На одной стороне крепился фиксированный или съемный радиатор, иногда с собственным вентилятором. Эта более крупная упаковка была компромиссом, позволяющим Intel отделить вторичный кэш от процессора, сохраняя при этом тесную связь через обратную шину. L2 кэш работал на половине тактовой частоты процессора, в отличие от Pentium Pro, чей L2 кэш работал на той же частоте, что и процессор. Однако его ассоциативность была увеличена до 16-канальной (по сравнению с 4-канальной у Pentium Pro), а размер всегда составлял 512 КБ, вдвое больше минимального варианта 256 КБ у Pentium Pro. Перенос кэша за пределы корпуса решил проблему низкого выхода годных процессоров Pentium Pro, что позволило Intel представить Pentium II по цене, доступной массовому рынку. Intel улучшила производительность 16-битного кода на Pentium II, в которой Pentium Pro был заметно слабее, добавив кэши сегментных регистров. Большинство потребительского программного обеспечения того времени по-прежнему использовало хотя бы некоторый 16-битный код из-за различных факторов. Проблемы с частичными регистрами также были решены путем добавления внутреннего флага для пропуска очистки конвейера, когда это возможно. Чтобы компенсировать более медленный L2 кэш, Pentium II имел 32 КБ L1 кэша, вдвое больше, чем у Pentium Pro, а также 4 буфера записи (против 2 у Pentium Pro); их также может использовать любой конвейер, вместо того чтобы каждый был закреплен за одним конвейером. Pentium II также был первым процессором на основе P6, реализовавшим набор инструкций Intel MMX integer SIMD, который уже был представлен в Pentium MMX. Все Klamath и некоторые ранние Deschutes Pentium II использовали комбинированный контроллер L2 кэша / чип RAM с тегами, который позволял кэшировать только 512 МБ; хотя теоретически можно было установить больше оперативной памяти, это привело бы к очень низкой производительности. Хотя это ограничение было практически неактуально для среднего домашнего пользователя в то время, это вызывало беспокойство у некоторых пользователей рабочих станций или серверов. Предположительно, Intel намеренно ввела это ограничение, чтобы отличить Pentium II от более высококлассной линейки Pentium Pro, которая имела полную кэшируемую область 4 ГБ. Ревизия чипа "82459AD" на некоторых 333 МГц и всех 350 МГц и более быстрых Pentium II сняла это ограничение и также предлагала полную кэшируемую область 4 ГБ.

The Pentium II brand refers to Intel's sixth generation microarchitecture ("P6") and x86 compatible microprocessors introduced on May 7, 1997. Containing 7.5 million transistors (27.4 million in the case of the mobile Dixon with 256 KB on die L2 cache), the Pentium II featured an improved version of the first P6 generation core of the Pentium Pro, which contained 5.5 million transistors. However, its L2 cache subsystem was a downgrade when compared to the Pentium Pros. It is a single core microprocessor. In 1998, Intel stratified the Pentium II family by releasing the Pentium II based Celeron line of processors for low end computers and the Pentium II Xeon line for servers and workstations. The Celeron was characterized by a reduced or omitted (in some cases present but disabled) on die full speed L2 cache and a 66 MT/s FSB. The Xeon was characterized by a range of full speed L2 cache (from 512 KB to 2048 KB), a 100 MT/s FSB, a different physical interface (Slot 2), and support for symmetric multiprocessing. In February 1999, the Pentium II was replaced by the nearly identical Pentium III, which only added the then new SSE instruction set. However, the older family would continue to be produced until June 2001 for desktop units, September 2001 for mobile units, and the end of 2003 for embedded devices. Unlike previous Pentium and Pentium Pro processors, the Pentium II CPU was packaged in a slot based module rather than a CPU socket. The processor and associated components were carried on a daughterboard similar to a typical expansion board within a plastic cartridge. A fixed or removable heatsink was carried on one side, sometimes using its own fan. This larger package was a compromise allowing Intel to separate the secondary cache from the processor while still keeping it on a closely coupled back side bus. The L2 cache ran at half the processor's clock frequency, unlike the Pentium Pro, whose off die L2 cache ran at the same frequency as the processor. However, its associativity was increased to 16 way (compared to 4 way on the Pentium Pro) and its size was always 512 KB, twice of the smallest option of 256 KB on the Pentium Pro. Off package cache solved the Pentium Pro's low yield issues, allowing Intel to introduce the Pentium II at a mainstream price level. Intel improved 16 bit code execution performance on the Pentium II, an area in which the Pentium Pro was at a notable handicap, by adding segment register caches. Most consumer software of the day was still using at least some 16 bit code, because of a variety of factors. The issues with partial registers was also addressed by adding an internal flag to skip pipeline flushes whenever possible. To compensate for the slower L2 cache, the Pentium II featured 32 KB of L1 cache, double that of the Pentium Pro, as well as 4 write buffers (vs. 2 on the Pentium Pro); these can also be used by either pipeline, instead of each one being fixed to one pipeline. The Pentium II was also the first P6 based CPU to implement the Intel MMX integer SIMD instruction set which had already been introduced on the Pentium MMX. All Klamath and some early Deschutes Pentium IIs use a combined L2 cache controller / tag RAM chip that only allows for 512 MB to be cached; while more RAM could be installed in theory, this would result in very slow performance. While this limit was practically irrelevant for the average home user at the time, it was a concern for some workstation or server users. Presumably, Intel put this limitation deliberately in place to distinguish the Pentium II from the more upmarket Pentium Pro line, which has a full 4 GB cacheable area. The '82459AD' revision of the chip on some 333 MHz and all 350 MHz and faster Pentium IIs lifted this restriction and also offered a full 4 GB cacheable area.

Кламаты

Первоначальный микропроцессор Klamath Pentium II (код продукта Intel 80522) работал на частотах 233, 266 и 300 МГц и был произведен по технологии 0,35 мкм. Версия 300 МГц, однако, стала доступна в больших количествах лишь к концу 1997 года. Системы на базе Pentium II с чипсетом Intel 440LX Balboa широко распространили SDRAM (которая должна была заменить EDO RAM и уже была представлена вместе с 430VX), а также графическую шину AGP. 14 июля 1997 года Intel представила версию Pentium II Klamath с 2 × 72-битным ECC L2 кэшем для серверов начального уровня, в отличие от 2 × 64-битного не-ECC L2 кэша в обычных моделях. Дополнительные биты обеспечивают аппаратную коррекцию ошибок без снижения производительности. Определить эту модификацию можно по номеру детали процессора. В системе обозначений Intel "семья/модель/шаг" процессоры Klamath относятся к семейству 6, модели 3.

Сбросы

Ядро Deschutes Pentium II (80523), дебютировавшее на частоте 333 МГц в январе 1998 года, было изготовлено по 0,25 мкм технологии и отличается значительно меньшим энергопотреблением. К концу жизненного цикла были произведены чипы Deschutes, способные работать на частоте 500 МГц в рамках спецификаций Intel по охлаждению и конструкции. Однако они не поступили в продажу. Вместо того, чтобы уничтожать уже заблокированные по множителю экземпляры, чипы Deschutes, прошедшие тестирование и заблокированные с множителем 5, продавались как 333 МГц. Это было реализовано путем отключения опции шины 100 МГц. Энтузиасты, узнав об этом, приобретали эти чипы и разгоняли их до частот значительно выше 500 МГц; особенно примечательно, что последняя партия процессоров "333 МГц" при разгоне демонстрировала производительность, превосходящую процессоры, продававшиеся на частотах 350, 400 или 450 МГц. Параллельно с выпуском ядра Deschutes, поддерживающего переднюю шину со скоростью 100 МТ/с, Intel представила чипсет 440BX Seattle и его производные – 440MX, 450NX и 440ZX. Заменив устаревшую 66-МГц FSB, которая была на рынке с 1993 года, 100-МГц FSB обеспечила заметное повышение производительности линейки Pentium II. Процессоры Pentium II, начиная с 350 МГц, выпускались в форм-факторах SECC и SECC2. Поздние модели Pentium II также ознаменовали переход к корпусной упаковке типа flip-chip с прямым контактом теплоотвода с кристаллом, в отличие от традиционного метода соединения. В то время как Klamath использует 4 чипа кэш-памяти и эмулирует двухпортовую структуру посредством чередования (2x 64 бита) для незначительного повышения производительности при одновременном доступе, Deschutes оснащен только 2 чипами кэш-памяти и обеспечивает несколько более низкую производительность кэша L2 при той же тактовой частоте. Кроме того, в Deschutes всегда включена ECC для кэша L2. Pentium II Xeon являлся высокопроизводительной версией ядра Deschutes, предназначенной для использования в рабочих станциях и серверах. В основном, он использовал другой тип слота (Slot 2), корпус, конструкцию платы и более дорогой полноскоростной специализированный кэш L2, расположенный вне кристалла. Версии выпускались с кэшем L2 объемом 512 КБ, 1 МБ или 2 МБ за счет изменения количества чипов 512 КБ, установленных на плате. В схеме нумерации Intel "Семейство/Модель/Ревизия", процессоры Deschutes относятся к семейству 6, модели 5 и имеют номер детали 80523.

The Deschutes core Pentium II (80523), which debuted at 333 MHz in January 1998, was produced with a 0.25 μm process and has a significantly lower power draw. Towards the end of its design life, Deschutes chips capable of 500 MHz within Intel cooling and design specifications were produced. However, these were not marketed. Rather than destroy already multiplier locked units, those Deschutes units that had been tested and locked with a multiplier of 5 were sold as being 333 MHz. This was accomplished by disabling the 100 MHz bus option. Overclockers, upon learning of this, purchased the units in question and ran them well over 500 MHz; most notably, when overclocking, the final batch of "333 MHz" CPUs were capable of speeds much higher than CPUs sold at 350, 400, or 450 MHz. Concurrent with the release of Deschutes cores supporting a 100 MT/s front side bus was Intel's release of the 440BX Seattle chipset and its derivatives, the 440MX, 450NX, and 440ZX chipsets. Replacing the aged 66 MHz FSB, which had been on the market since 1993, the 100 MHz FSB resulted in solid performance improvements for the Pentium II lineup. Pentium II chips starting with 350 MHz were released in both SECC and SECC2 form factors. Late Pentium IIs also marked the switch to flip chip based packaging with direct heatsink contact to the die, as opposed to traditional bonding. While Klamath features 4 cache chips and simulates dual porting through interleaving (2x 64 bit) for a slight performance improvement on concurrent accesses, Deschutes only sports 2 cache chips and offers slightly lower L2 cache performance at the same clockspeed. Furthermore, Deschutes always features ECC enabled L2 cache. The Pentium II Xeon was a high end version of Deschutes core intended for use on workstations and servers. Principally, it used a different type of slot (Slot 2), case, board design, and more expensive full speed custom L2 cache, which was off die. Versions were produced with 512 KB, 1 MB or 2 MB L2 caches by varying the number of 512 KB chips incorporated on the board. In Intel's "Family/Model/Stepping" scheme, Deschutes CPUs are family 6, model 5 and have the part number 80523.

Pentium II OverDrive (полностью автоматический)

В 1998 году ядро Deschutes с технологией 0,25 мкм было использовано при создании процессора Pentium II Overdrive, предназначенного для обновления устаревших серверов корпоративными пользователями Pentium Pro. Объединение ядра Deschutes в корпусе flip-chip с 512 КБ полноскоростного L2 кэш-чипа от Pentium II Xeon в модуль, совместимый с Socket 8, позволило создать процессор с частотой 300 или 333 МГц, работающий на передней шине 60 или 66 МГц. Эта комбинация объединила наиболее привлекательные характеристики Pentium II и Pentium II Xeon: поддержку MMX/улучшенную 16-битную производительность и полноскоростной L2 кэш, соответственно. Позднее мобильный Pentium II Dixon повторил эту комбинацию, используя 256 КБ полноскоростного кэша. В системе нумерации Intel "Family/Model/Stepping" процессор Pentium II OverDrive идентифицируется как семейство 6, модель 3, однако это вводит в заблуждение, поскольку он не основан на ядре Klamath семейства 6/модели 3. Как указано в документации по обновлению процессора Pentium II от Intel, "хотя этот процессор имеет CPUID 163xh, он использует ядро процессора Pentium II с CPUID 065xh".

Тонга

Ядро Tonga с техпроцессом 0,25 мкм стало первым мобильным Pentium II и обладало всеми функциями настольных версий. В схеме нумерации Intel "семья/модель/шаг" процессоры Tonga относятся к семейству 6, модели 5.

Диксон

Позже, в 1999 году, для мобильного рынка было выпущено ядро Dixon с техпроцессом 0,25; 0,18 мкм (400 МГц) и 256 КБ кэша полной скорости, расположенного на кристалле. Обзоры показали, что ядро Dixon было самым быстрым из всех выпущенных процессоров Pentium II. В системе нумерации Intel "Семья/Модель/Шаг" процессоры Dixon относятся к семейству 6, модели 6, а их код продукта Intel – 80524. Эти идентификаторы также используются в процессорах Celeron Mendocino.