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.硬件工程师培训教程（七）第六节新款CPU介绍一、Intel公司的新款CPU1.PCoppermine(铜矿)处理器2000年最惹人注目的莫过于Intel公司采用0.18微米工艺生产的PCoppermine处理器了。尽管Intel公司早在1999年10月25日便发布了这款代号为Coppermine的Pentium处理器，但其真正的普及是在2000年。虽然取名为“铜矿”，Coppermine处理器并没有采用新的铜芯片技术制造。从外形上分析，采用0.18m工艺制造的Coppermine芯片的内核尺寸进一步缩小，虽然内部集成了256KB的全速On-DieL2Cache，内建2810万个晶体管，但其尺寸却只有106mm2。从类型上分析，新一代的Coppermine处理器可以分为E和EB两个系列。E系列的Coppermine处理器采用了0.18m工艺制造，同时应用了Intel公司新一代On-Die全速256KBL2Cache;而EB系列的Coppermine不仅集合了0.18m制造工艺、On-Die全速256KBL2Cache，同时还具有133MHz的外频速率。从技术的角度分析，新一代Coppermine处理器具有两大特点: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封装及笔记本使用的MicroPGA和BGA封装；二是制造工艺的变化。Coppermine处理器全部采用了0.18m制造工艺，其核心工作电压降到了1.65V(SECC2)和1.6V(FC-PGA)，与传统的P相比大大降低了电能的消耗和发热量。PCoppermine的整体性能与传统的P相比有了较大幅度的提高。作为新一代处理器，Coppermine强劲的高速On-DieL2Cache值得称道，而且PCoppermine的可超频性也是非常出色的。2.PCoppermine-T和Tualatin2001年末，PCoppermine会进一步改进制造工艺采用0.13微米制造，新版本Tualatin也即将问世。其核心技术大致如下：最初时钟频率应该是1.13/1.26GHz；内核集成512KB二级缓存；采用新的总线结构；封装结构上采用FCPGA2替换FCPGA。我们注意到Tualatin在电压和总线规格上和过去的P处理器有了不同，因此未来似乎应该有全新的平台来支持P处理器。当前只有一款芯片组宣布支持Tualatin，它就是Almador或者被称之为i830。而PCoppermine-T内核则可能是过渡产品，它既能运行于当前的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处理器都在2001年三季度发布。但由于IntelPentium4战略的延展，也许它们会悄无声息地来临，甚至缩减至一款。3.Celeron处理器为了进一步扩大在低端市场的占领份额，2000年3月Intel终于发布了其代号为“Coppermine128”的新一代的Celeron处理器Celeron(Intel仍称其为Celeron，但为了和前面的Celeron区分，我们暂且这样称呼)。Celeron与老Celeron最显著的区别在于采用了与PCoppermine相同的核心及同样的FC-PGA封装方式，同时支持SSE多媒体扩展指令集。从技术角度分析，Celeron与PCoppermine有着诸多明显的区别:一是Celeron的L2Cache容量只是PCoppermine处理器的一半，并且缩减PCoppermine的8路缓存通道为4路，延迟时间也由PCoppermine的0变成了2。由此不难看出，相同主频的Celeron在性能方面比PCoppermine要差很多;二是功耗方面。Celeron的核心电压只有1.5V(最新款有1.7V)，而PCoppermine的核心电压为1.65V，功耗相对较低;三是外频方面。Celeron出人意料地沿用了古老的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理由外恐怕无法解释。而66MHz外频的Celeron与100MHz外频的PCoppermine相比，也就注定了其要在性能方面牺牲更多。Celeron系列向来有着如奔腾系列一样优秀的浮点运算性能，Celeron集成的全速缓存使得其整数性能也得以大幅度提高。但是，糟糕的66MHz外频可能会是Celeron最终不敌AMD同型产品的致命之处，不过如果将其与老Celeron放在一起，其实还是我们要求太高了。与Coppermine同样的FC-PGA封装方式必定会使Celeron的兼容性有所提高。正是由于高性能的二级缓存和低功耗，Celeron同样也具有良好的超频性能。4.Pentium4处理器美国东部时间2000年6月28日，Intel公司正式宣布将该公司开发的下一代微处理器命名为Pentium4。新一代的Pentium4处理器即原先研发代号为Willamette的Willy芯片，是Intel公司继Coppermine处理器之后推出的面向普通用户的主流产品。2000年11月20日，Intel公司正式发布Pentium4处理器。该处理器采用了不同于P6总线的全新NetBurst架构，其管线长度是P6架构的两倍，达到了20级。这将使Pentium4达到更高时钟频率。现在的Pentium处理器由于管线长度的限制，最高时钟频率在1.2GHz左右，Pentium1.13GHz处理器出现的问题就是最好的证明。不过，管线长度的加长，也意味着entium4每一个时钟周期执行的指令要比Pentium少，这就是为什么在相同的速度下，Pentium或Athlon处理器的性能看起来要比Pentium4处理器更强一些的原因。不过，随着Pentium4速度的提升，这一现象会逐渐消失。Pentium4处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。最初版本的核心频率为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，大大超过Pentium1GHz处理器的16GB/s。初期的Pentium4采用0.18m工艺制造，包含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，此外Intel还推出了一款Socket478接口的Pentium4，这才是最终版本。Pentium4的算术逻辑单元(ALU)以核心频率的两倍运行。此外，Pentium4还包含144条重新设计过的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0.13m铜工艺制造。Pentium4的架构被Intel称之为NetBurst。其中最容易被关注到的变化就是它的新系统总线。虽然真实时钟频率只有100MHz，位宽还是64位，但由于利用了与APG4x相同的工作原理，它的速度实际相当于400MHz是传统P6总线的四倍，可传输高达3.2GB/s。明显超过AMDThunderbird处理器266MHz(133MHz2)2.1GB/s的数据传输率。Pentium4的二级缓存与Pentium的二级缓存大小相同，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，并分成2个等量的64字节。当它从系统(无论是内存、AGP显卡或是PCI等)取出数据时，都是以64字节为单位，这样一来确保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迟，采用4路联合方式，并使用64字节的缓存管道。双端口结构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Pentium或Athlon处理器中，都有一级指令缓存。代码会先被放入此块缓存中，直到要真正被处理单元执行时才会取出。糟糕的是某些x86指令非常复杂，因此解码过程可能会阻塞整个执行管道，同时这些指令中的部分重复频率很高，常常刚解码一次后又需要再次解码。基本上讲，Pentium4的执行追踪缓存就是在解码器底下的的一级指令缓存，如果缓存里存放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。另外Pentium4新加有硬件预取的机制。这块新的处理单元可辨认Pentium4核心执行软件的数据存取样本，并依此猜测下次会被处理的数据，然后将这些数据预先载入缓存中。在应用大量的有规则数据情况下比如矩阵，Pentium4的硬件预取功能将大幅加速执行效能。还有Pentium4最有名的特性之一就是该处理器具有非常长的流水线工位。Pentium的流水线工位有10个，Athlon为11个，而Pentium4不少于20个。如此多的工位数量保证了每个工位执行的任务足够简单，很显然Pentuim4已经做好了足够的准备向更高的GHz频率进军，这显然是Pentium和Athlon所不具备的，也是他们注定无法在更高频率上和Pentium4抗衡的致命伤。Pentium4的流水线能保留多达126个将要被执行指令，其中最多可包含48个载入及24个存储运算。而追踪缓存分支预测单元，就是用来确保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Pentium33%的预测失败。但一旦发生预测失败，所带来的损失也相当惊人。其余的新特性包括两组双速ALU及AGU。因为他们可以每半时钟内处理一个微指令，因此四个中的每一个时钟皆为处理器时钟的两倍。快速执行引擎无法处理的指令，将被送到唯一的SlowALU处处理。不过好在程序指令绝大部分都是一些简单的指令。加入流式单指令多数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转换以及数据在XMM寄存器和MMX寄存器中转换等几大部分。其中重要的改进包括引入新的数据格式，比如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还另外增加了几条操作缓存的指令，允许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，其最大好处是并不需要因此而开发全新的操作系统，只要稍微打个补丁之类，就能享受到SSE2带来的好处。Intel公司于2001年8月底发布的1.9和2.0GHz的Pentium4仍然采用0.18微米的Willamette内核。我们曾经很希望看到此次发表的Socket478接口Pentium4采用代号为Northwood的新核心。不过，Intel可能在0.13微米制程上碰到了一些麻烦。5.Itanium处理器大多数熟悉计算机的爱好者一定都听过Merced这个名字，现在Intel已经正式把它命名为Itanium。这将是Intel第一款执行IA-64指令的微处理器。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。这么多的寄存器允许Intel整合动态寄存器堆栈引擎，这将大大提高处理能力。第一代IA-64的处理器通过它们的浮点单元可每秒执行60亿次浮点操作。(1)Itanium的主要物理参数该处理器具有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带宽支持快速系统总线处理。“机器检查体系结构”(MCA)、完善的错误记录、高速缓存和系统总线纠错码(ECC)设计提供了先进的错误检测、纠正和处理能力。64位数据总线(以及8位ECC)。3英寸5英寸插盒，包括安腾处理器和高达4MB的盒上3级高速缓存。专用的边缘电源接头为处理器和高速缓存设备提供单独电压，从而提高信号的完整性。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。以处理器主频全速运行，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带宽实现快速数据访问。一体化的96KB二级高速缓存，6路成组相联结构，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路成组相联结构，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，每时钟周期能够执行4条ALU指令。浮点(FP)计算单元包含两个以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执行两次浮点运算，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，每个单元能够执行两条单精度FP运算。与常规的FMAC相结合，每时钟周期能够执行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。集成的系统管理特性，提供温度监测和插盒识别信息。先进的载入地址表(ALAT)，包括32个条目，采用2路成组相联高速缓存设计，支持推测执行，最小的内存等待时间和更高性能。两层数据转换后备缓冲器(DTLB)在DTLB1(全部相关联)中有32个条目；在DTLB2中有96个条目。另外，系统软件(OS)可以单独使用48个转换寄存器(TR)，存储关键的虚拟到物理地址转换。指令转换后备缓冲器(ITLB)包含64个条目，并且相互之间完全相关。“显性并行指令集计算”(EPIC)技术，通过最大限度地发挥硬件和软件的协同作用，提高了指令级并行运算能力。Itanium体系结构为编译器提供了多种机制，用于与处理器交流编译器时间信息，如分支和高速缓存提示。此外，这种体系结构使编译代码能够通过