硬件工程师培训教程

硬件工程师培训教程（七）第六节新款CPU介绍一、Intel企业的新款CPU1.PⅢCoppermine(铜矿)办理器2000年最引人凝望的莫过于Intel企业采用0.18微米工艺生产的PⅢCoppermine办理器了。只管Intel公司早在1999年10月25日便宣布了这款代号为Coppermine的PentiumⅢ办理器，但其真切的普及是在2000年。诚然取名为“铜矿”，Coppermine办理器并没有采用新的铜芯片技术制造。从外形上解析，采用0.18μm工艺制造的Coppermine芯片的内核尺寸进一步减小，诚然内部集成了256KB的全速On-DieL2Cache，内建2810万个晶体管，但其尺寸却只有106mm2。从种类上解析，新一代的Coppermine办理器能够分为E和EB两个系列。E系列的Coppermine办理器采用了0.18μm工艺制造，同时应用了Intel企业新一代On-Die全速256KBL2Cache;而EB系列的

Coppermine不只会合了0.18μm制造工艺、On-Die全速256KBL2Cache，同时还拥有

133MHz的外频速率。

从技术的角度解析，新一代Coppermine办理器拥有两大特点:一是封装形式的变化。除了部分

产品采用SECC2封装之外，Intel也推出了FC-PGA封装及笔录本使用的MicroPGA和BGA封装；

二是制造工艺的变化。Coppermine办理器全部采用了0.18μm制造工艺，其核心工作电压降到了

65V(SECC2)和1.6V(FC-PGA)，与传统的PⅢ比较大大降低了电能的耗费和发热量。

PⅢCoppermine的整体性能与传统的PⅢ比较有了较大幅度的提升。作为新一代办理器，Coppermine强烈的高速On-DieL2Cache值得称道，而且PⅢCoppermine的可超频性也是特别优异的。

2.PⅢCoppermine-T和Tualatin2001年关，PⅢCoppermine会进一步改良制造工艺采用0.13微米制造，新版本Tualatin也立刻问世。其核心技术大概以下：最初时钟频次应当是1.13/1.26GHz；内核集成512KB二级缓存；采用新的总线构造；封装构造上采用FCPGA2代替FCPGA。我们注意到Tualatin在电压和总线规格上和过去的PⅢ办理器有了不同样，因此未来忧如应当有崭新的平台来支持PⅢ办理器。目前只有一款芯片组宣布支持Tualatin，它就是Almador或许被称之为i830。而PⅢCoppermine-T内核则可能是过渡产品，它既能运行于目前的i815、694X等产品，相信也能在Almador平台上使用。从时间表上看这两款办理器都在2001年三季度宣布。但由于IntelPentium4战略的延展，或许它们会悄无声息地到临，甚至减少至一款。3.CeleronⅡ办理器为了进一步扩大在低端市场的占有份额，2000年3月Intel终于宣布了其代号为“Coppermine128”的新一代的Celeron办理器——CeleronⅡ(Intel仍称其为Celeron，但为了和前面的Celeron划分，我们临时这样称呼)。CeleronⅡ与老Celeron最显然的差别在于采用了与PⅢCoppermine同样的核心及同样的FC-PGA封装方式，同时支持SSE多媒体扩展指令集。从技术角度解析，CeleronⅡ与PⅢCoppermine有着诸多显然的差别:一是CeleronⅡ的L2Cache容量但是PⅢCoppermine办理器的一半，而且减少PⅢCoppermine的8路缓存通道为4路，延缓时间也由PⅢCoppermine的0变成了2。由此不难看出，同样主频的CeleronⅡ在性能方面比PⅢCoppermine要差好多;二是功耗方面。CeleronⅡ的核心电压只有1.5V(最新款有1.7V)，而PⅢCoppermine的核心电压为1.65V，功耗相对较低;三是外频方面。CeleronⅡ出乎不测处沿用了古

老的66MHz外频，面对低端市场早已使用100MHz外频的AMDK6-2，Intel此举除了商业行为的原因外恐怕无法解说。而

66MHz

外频的

CeleronⅡ与

100MHz

外频的

PⅢCoppermine

比较，也就注定了其要在性

能方面牺牲更多。

Celeron

系列素来有着如奔跑系列同样优异的浮点运算性能，

Celeron

Ⅱ集成的全速

缓存使得其整数性能也得以大幅度提升。

但是，糟糕的

66MHz

外频可能会是

Celeron

Ⅱ最后不敌

AMD

同

型产品的致命之处，但是假如将其与老Celeron放在一同，其实仍是我们要求太高了。与Coppermine同样的FC-PGA封装方式必定会使CeleronⅡ的兼容性有所提升。正是由于高性能的二级

缓存和低功耗，CeleronⅡ同样也拥有优异的超频性能。

4.Pentium4办理器

美国东部时间2000年6月28日，Intel企业正式宣布将该企业开发的下一代微办理器命名为Pentium4。新一代的

Pentium4

办理器即本来研发代号为

Willamette

的

Willy

芯片，是

Intel

企业

继Coppermine办理器今后推出的面向一般用户的主流产品。

2000年11月20日，Intel企业正式宣布Pentium4办理器。该办理器采用了不同样于P6总线的崭新NetBurst架构，其管线长度是P6架构的两倍，达到了20级。这将使Pentium4达到更高时钟频次。

现在的PentiumⅢ办理器由于管线长度的限制，最高时钟频次在1.2GHz左右，

PentiumⅢ1.13GHz办理器出现的问题就是最好的证明。但是，管线长度的加长，也意味着entium4每一个时钟周期履行的指令要比PentiumⅢ少，这就是为什么在同样的速度下，PentiumⅢ或Athlon处理器的性能看起来要比Pentium4办理器更强一些的原因。但是，随着Pentium4速度的提升，这一现象会渐渐消失。Pentium4办理器采用新的系统总线代替了原有的GTL+总线，总线速度达到400MHz。最第一版本的核心频次为1.4GHz和1.5GHz，内部集成了8KB一级数据缓存和256KB同速二级缓存(Intel称之为L2超级传输缓存)，带宽大于44.8GB/s，大大超出PentiumⅢ1GHz办理器的16GB/s。初期的Pentium4采用0.18μm工艺制造，包括4200万个晶体管，芯片面积为217mm2，核心电压为1.7V，目前采用

Socket423接口，其余Intel还推出了一款Socket478接口的Pentium4，这才是最后版本。

Pentium4的算术逻辑单元(ALU)以核心频次的两倍运行。其余，Pentium4还包括144条从头设计

过的SSE2指令。Intel预计Pentium4将于2001年下半年占其CPU总产量的一半，并采用0.13μm铜工艺制造。Pentium4的架构被Intel称之为NetBurst。其中最简单被关注到的变化就是它的新系统总

线。诚然真切时钟频次只有100MHz，位宽仍是64位，但由于利用了与APG4x同样的工作原理，它的速度实质相当于400MHz是传统P6总线的四倍，可传输高达3.2GB/s。显然超出AMDThunderbird办理器266MHz(133MHz×2)2.1GB/s的数据传输率。Pentium4的二级缓存与PentiumⅢ的二级缓存大小同样，都是256KB并皆为8路联合方式运作。但Pentium4的二级缓存每线为128字节，并分红2个等量的64字节。当它从系统(不论是内存、AGP显卡或是PCI等)取出数据时，都是以64字节为单位，这样一来保证批量传输的最大性能。一级缓存方面，Pentium4仅有8KB的一级数据缓存，没有指令缓存，这样便于降低一级的延缓，采用4路联合方式，并使用64字节的缓存管道。双端口构造使得能在一个时钟内，一个读取而另一个写回的方式来同时运作。过去在PentiumⅢ或Athlon办理器中，都有一级指令缓存。代码会先被放入此块缓存中，直到要真切被办理单元履行时才会取出。糟糕的是某些x86指令特别复杂，因此解码过程可能会拥塞整个履行管道，同时这些指令中的部分重复频次很高，经常刚解码一次后又需要再次解码。基本上讲，Pentium4的履行追踪缓存就是在解码器底下的的一级指令缓存，假如缓存里寄存有已经解码过的复杂指令，下一次它进入流水线时就不需要再解码，而只直接提取微指令即可。其余Pentium4新加有硬件预取的体系。这块新的办理单元可鉴识Pentium4核心履行软件的数据存取样本，并依此猜想下次会被办理的数据，此后将这些数据开初载入缓存中。在应用大量的有规则数据情况下比方矩阵，Pentium4的硬件预取功能将大幅加快履行效能。还有Pentium4最出名的特点之一就是该办理器拥有特别长的流水线工位。PentiumⅢ的流水线工位有10个，Athlon为11个，而Pentium4好多于20个。这样多的工位数量保证了每个工位履行的任务足够简单，很显然Pentuim4已经做好了足够的准备向更高的GHz频次进军，这显然是PentiumⅢ和Athlon所不具备的，也是他们注定无法在更高频次上和Pentium4抗衡的致命伤。Pentium4的流水线能保存多达126个将要被履行指令，其中最多可包括48个载入及24个储蓄运算。而追踪缓存分支展望单元，就是用来保证清空整个管道内容的情况不会经常发生的。Intel声称用了这个单元后，可减少PentiumⅢ33%的展望失败。但一旦发生展望失败，所带来的损失也相当惊人。

其余的新特点包括两组双速ALU及AGU。由于他们能够每半时钟内办理一个微指令，因此四其中的每一个时钟皆为办理器时钟的两倍。迅速履行引擎无法办理的指令，将被送到唯一的SlowALU处办理。但是幸亏程序指令绝大部分都是一些简单的指令。加入流式单指令多半据扩展技术的第二版棗SSE2。这一次新开发的SIMD指令了包括浮点SIMD指令、整形SIMD指令、SIMD浮点和整形数据之间变换以及数据在XMM寄存器和MMX寄存器中变换等几大部分。其中重要的改良包括引入新的数据格式，比方128位SIMD整数运算和64位双精度浮点运算等等。为了更好的利用Cache，P4还其余增加了几条操作缓存的指令，赞同程序员控制已经缓存过的数据。由于SSE2更多是在架构内部的加强和优化，其最大利处是其实不需要因此而开发崭新的操作系统，只需稍微打个补丁之类，就能享遇到SSE2带来的利处。Intel企业于2001年8月底宣布的1.9和2.0GHz的Pentium4仍旧采用0.18微米的Willamette内核。我们以前很希望看到此次宣布的Socket478接口Pentium4采用代号为Northwood的新核心。但是，Intel可能在0.13微米制程上遇到了一些麻烦。5.Itanium办理器大部分熟悉计算机的爱好者必定都听过Merced这个名字，现在Intel已经正式把它命名为Itanium。这将是Intel第一款履行IA-64指令的微办理器。它采用了EPIC(ExplicitlyParallelIn-structionCode，显性并行指令计算)技术，可实现每时钟周期高达20次运算。Itanium有128个整数和多媒体寄存器，128个82位浮点寄存器，64个论断寄存器，8个分支寄存器。这么多的寄存器赞同Intel整合动向寄存器货仓引擎，这将大大提升办理能力。第一代IA-64的办理器经过它们的浮点单元可每秒履行60亿次浮点操作。(1)Itanium的主要物理参数·该办理器拥有3级高速缓存，包括2MB或4MB三级高速缓存、96KB二级高速缓存和32KB一级高速缓存，缩短了内存等待时间。·首批产品采用733MHz和800MHz主频。·2266MHz数据总线，以2.1GB/s带宽支持迅速系统总线办理。·“机器检查系统构造”(MCA)、圆满的错误记录、高速缓存和系统总线纠错码(ECC)设计供给了先进的错误检测、纠正和办理能力。·64位数据总线(以及8位ECC)。·3英寸×5英寸插盒，包括安腾办理器和高达4MB的盒上3级高速缓存。·专用的边缘电源接头为办理器和高速缓存设施供给独自电压，进而提升信号的圆满性。·硬件内建IA-32指令二进制兼容性。·CCPU中晶体管数量为2500万个，高速缓存中有3亿个。(2)Itanium的主要性能指标·一体化的2MB或4MB盒上三级高速缓存。以办理器主频全速运行，采用4路成组相联设计和64字节高速缓存线。采用全面的流水线和优化设计，使用128位宽高速缓存总线以12.8GB/s带宽实现迅速数据接见。·一体化的96KB二级高速缓存，6路成组相联构造，采用全面的流水线设计和64位高速缓存线。·一级高速缓存为32KB，数据高速缓存与指令高速缓存分开(16KB数据/16KB指令)。4路成组相联构造，采用全面的流水线设计和32字节高速缓存线。·高度并行的流水线硬件，10级流水线。·两个整数单元和两个内存单元，每时钟周期能够履行4条ALU指令。·浮点(FP)计算单元包括两个以82位运算数运行的FMAC(浮点相乘累积)单元。每个FMAC单元每时钟周期能够履行两次浮点运算，支持单精度、双精度和扩展双精度。·两个额外的FP多媒体单元，每个单元能够履行两条单精度FP运算。与常例的FMAC相联合，每时钟周期能够履行8次单精度FP运算，最高结果可达6.4GFLOPS。·44位物理内存寻址能力。·集成的系统管理特点，供给温度监测和插盒鉴识信息。·先进的载入地点表(ALAT)，包括32个条目，

采用2路成组相联高速缓存设计，支持推断执行，最小的内存等待时间和更高性能。·两层数据变换后备缓冲器(DTLB)——在DTLB1(全部有关系)中有32个条目；在DTLB2中有96个条目。其余，系统软件(OS)能够独自使用48个变换寄存器(TR)，储蓄要点的虚假到物理地点转换。·指令变换后备缓冲器(ITLB)包括64个条目，而且相互之间圆满有关。·“显性并行指令集计算”(EPIC)技术，经过最大限度地发挥硬件和软件的共同作用，提升了指令级并行运算能力。Itanium系统构造为编译器供给了多种体系，用于与办理器沟通编译器时间信息，如分支和高速缓存提示。其余，这种系统构造