Pentium® Prozessor (Einleitung)

Aufbau des Pentium Prozessors     Pentium® Prozessor (Technik)

Pentium® Prozessoren sind die zur Zeit leistungsfähigsten Mikroprozessoren aus dem Hause Intel und de facto Standard für moderne Intel basierende PC-Systeme.

Auf Grund seiner hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit sind Rechner mit Pentium Prozessoren, auch der neuen 32Bit Software mit anspruchsvoller realistischer Grafik und Darstellung von Videosequenzen in Vollbild und Full Motion Format nicht nur gewachsen, vielmehr wird deren Leistungsfähigkeit mit einem Pentium Prozessor erst richtig ausgenutzt. Eine Vielzahl neuerer Anwendungen sind zudem speziell für den Pentium Prozessor entwickelt worden.

Trotz aller neuen Funktionen und Verbesserungen, die durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie möglich wurden, ist der Pentium Prozessor vollständig software-kompatibel zu den früheren Intel Prozessoren.

Dank superskalarer Architektur und verbesserter Fließkomma-Einheit bieten die Pentium Prozessoren nicht nur souveräne Leistungen bei heutigen Anwendungen, sondern sind auch für die kommenden Technologien bestens vorbereitet.Durch die Datenintegrität empfiehlt sich der Pentium Prozessor zudem für "mission-critical" Unternehmensanwendungen, bei denen es auf höchste Sicherheit ankommt.

Und mit der Möglichkeit zum Mehrprozessorbetrieb eignet er sich auch für entsprechende Hochleistungssysteme.

Leistungsmerkmale
    - Pentium Prozessoren mit 120, 133, 150, 166 und 200 MHz,
    3,3 V Versorgungsspannung und 0,35µm-Technologie

    - Pentium Prozessoren mit 75, 90, 100 und 120 MHz,
    3,3 V Versorgungsspannung und 0,6µm-Technologie

    - Binärkompatibilität mit den meisten Anwendungen

    - Superskalare Architektur

    - Separate Cache-Speicher mit MESI-Protokoll für Code und Daten

    - Branch prediction" zur Leistungssteigerung bei Programmver-
    zweigungen

    - Hochleistungs-Fließkommaeinheit

    - 64 Bit Datenbus

    - 50 MHz, 60 MHz oder 66 MHz Bustaktfrequenz

    - Datenintegritätsfunktionen

    - Integrierter Multiprozessor-Interrupt-Controller

    - Leistungsüberwachung und Execution Tracing

    - Memory Page Size-Funktion

    - Energiesparende SL-Technologie

    - Pin Grid Array (Kunststoff oder Keramik) oder Tape
    Carrier-Gehäuse


Pentium® Prozessor (Technik)

Die Pentium Prozessor-Familie basiert auf Intels modernen 0,6µm- und 0,35µm-BiCMOS-Herstellungsprozessen. Diese Prozesse verwenden bei hoher Packungsdichte bipolare Transistoren zur Erhöhung der Geschwindigkeit und CMOS für niedrigen Stromverbrauch. Viele Befehle, die bei früheren Prozessoren der Intel Architektur noch über Mikrocode realisiert waren, sind jetzt zur Steigerung der Leistung direkt verschaltet.

Die Architektur der Pentium Prozessoren bietet eine Fülle von Merkmalen für hohe Leistung:

    - Die superskalare Architektur ermöglicht die parallele Ausführung
    zweier Integer-Anweisungen in einem Prozessortakt.

    - Separate interne Code- und Daten-Cachespeicher reduzieren
    die Speicherzugriffszeit durch sofortigen Rückgriff auf häufig
    benutzte Anweisungen und Daten und erhöhen so die Leistung.

    - Befehls- und Daten-Cache können gleichzeitig angesprochen
    werden, wobei der Daten-Cache durch seinen doppelten Ausgang
    zwei Daten-Referenzen gleichzeitig unterstützt.

    - Der Daten-Cache unterstützt Speicheraktualisierungen über
    Write-Back (od. alternativ Write-Through auf Line-by-Line-Basis).

    - Dynamic Branch Prediction kann durch den Branch Target Buffer
    (BTB) vorausbestimmen, welche Anweisungen mit hoher Wahr-
    scheinlichkeit als nächste verarbeitet werden und so die
    Verarbeitungsgeschwindigkeit beträchtlich steigern.

    - Eine Fließkomma-Einheit (FPU) mit Pipeline unterstützt neben
    dem 32- und 64-Bit-Format gemäß IEEE-Standard 754 auch ein
    80-Bit-Format. Diese Hochleistungs-FPU kann zwei Fließkomma-
    Anweisungen in einem einzigen Prozessortakt verarbeiten und
    erreicht dank Instruction Scheduling und überlappender Ausfüh-
    rung (Pipelining) mehr als die fünffache Fließkomma-Leistung.

    - Ein 64 Bit breiter Hochleistungsdatenbus sorgt für schnellen
    Informationsfluß zwischen Prozessor und Speichersubsystem.

    - Bus-Steuersignale ermöglichen die Cache-Konsistenz in Multi-
    prozessor-Systemen.

    - Der im Chip integrierte Multiprozessor-Controller ermöglicht
    symmetrischen Multiprozessorbetrieb mit geringem
    Kostenaufwand.

    - Der Dual-Prozessormodus bringt hohe Leistungsgewinne bei An-
    wendungen unter modernen 32-Bit-Betriebssystemen.

    - Eine verbesserte Form des Paging kann Teile des Speicher-
    inhalts auf die Festplatte auslagern und ermöglicht so den Zugriff
    auf Datenstrukturen, die größer als der verfügbare Speicherplatz
    sind.

    - Hardware-Unterstützung für virtuelle Interrupts über das Virtual
    Interrupt Flag (VIF) und die Virtual Interrupt Pending

    - (VIP) Bits im EFLAGS-Register machen den Trap an einen
    Monitor vom virtuellen 8086 oder Protected Mode für bestimmte
    Operationen überflüssig.

    - CPU-Identifizierung bietet mit der CPUID-Anweisung Informatio-
    nen über Familie, Modell, Stepping und Leistungsmerkmale. Die
    Ausführung dieser Anweisung wird durch die Fähigkeit zum
    Setzen des ID-Bits im EFLAGS-Register ermöglicht.

    - Parity-Schutz und MCE (Machine Check Exception) ermöglichen
    die Fehlererkennung bei internen Geräten und der externen
    Bus-Schnittstelle.


Der Pentium Prozessor bietet auch zahlreiche Funktionen zum Test und zur Leistungsüberwachung.
Dazu gehören beispielsweise:

    - BIST (Built-In Self Test) erkennt 100% der Einzelfehler von
    Mikrocode und großen PLAs und prüft Anweisungs-Cache,
    Daten-Cache, Translation Lookaside Buffer (TLBs) und
    permanentes ROM.

    - IEEE 1149.1-konformer Access Port und Boundary Scan
    Architektur- Mechanismus zum Testen des Pentium Prozessors
    über eine Standard- Schnittstelle.

    - Ein Probe-Modus bietet Zugriff auf interne Register und
    I/O-Speicherbereiche des Pentium Prozessors und ermöglicht die
    Untersuchung und Änderung des Status der CPU. Diese Debug-
    Funktion bietet ähnliche Möglichkeiten wie ICE.

    - Debug-Erweiterungen zur Fehlersuche von I/O- und
    Speicheradressen.

    Die Aktivierung dieser Funktion erfolgt durch Setzen des DE-Bits
    (Debug Extensions) in CR4. Löschen dieses Bits bietet Kompa-
    tibilität mit der Intel486 CPU.

    - Interne Zähler, die zur Leistungsüberwachung und Erfassung von
    Ereignissen verwendet werden können.




Aufbau des Pentium Prozessors

Der aktuelle Pentium Prozessor von Intel ist zur Zeit das Maß der Dinge bei Mikroprozessoren im PC-Bereich. Auf einer Fläche von nur 6,25 qcm befinden sich auf ihm über 3 Millionen, beim Pentium Pro sogar über 5 Millionen Transistoren.

Hauptgrund für seine gegenüber dem 486 dramatisch angestiegende Verarbeitungsgeschwindigkeit sind neben der erhöhten Taktrate und der Tatsache, daß intern nun bis zu 64 Datenbits gleichzeitig verarbeitet werden können, der Einsatz von zwei Rechenwerken, englisch Arithmetic logic units, für die Ganzzahlen- und die optimierte, stark beschleunigte Recheneinheit für die Gleitkommaberechnung.

Und so funktioniert der Pentium Prozessor:
Uber einen 64 Bit Datenbus gelangen die Daten und Anweisungen aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor, genauer in die Bus Interface Unit kurz BIU.

Hier werden sie nach allgemeinen Daten und speziellen Prozessor- Anweisungen unterschieden und in zwei speziellen Speichern abgelegt. In diesem als Data bzw. Code Cache bezeichneten 8KByte großen Puffer bleiben die Informationen, bis sie von den anderen Funktionseinheiten des Prozessors abgerufen werden.


Währenddessen untersucht ein als Verzweigungskommandoeinheit, englisch branch predictor unit, bezeichnetes Bauteil, welches der beiden Ganzzahlenrechenwerke die nächste Anweisung aus dem Code Cache erhält. Auf diese Weise wird garantiert, das beide Rechenwerke optimal ausgelastet sind.

Die von der Verzweigungskommandoeinheit geholte Anweisung wird in einem speziellen Zwischenspeicher abgelegt. Dieser als Puffer für vorzeitig geholte Anweisungen, englisch instruction prefetch buffer, bezeichnete Bereich gehört zur Dekodierungseinheit, englisch Decode unit, in der alle Anweisungen in einen für die Rechenwerke verständlichen Code übersetzt werden.

Handelt es sich bei den Anweisungen um besonders komplexe trigonometrische oder logarithmische Funktionen, werden sie an den integrierten Co-Prozessor, die sogenannte Fließkommaeinheit, englisch Floating Point Unit, geleitet.
Einfache Anweisungen, also Anweisungen und Rechenoperationen in denen nur ganze Zahlen vorkommen, werden in einem der beiden Ganzzahlen- rechenwerke bearbeitet.
Die dafür von den Rechenwerken benötigten zusätzlichen Daten kommen aus ihrem internen Register, einer Mini-Speichereinheit, die ihrerseits die Daten aus dem Data-Cache erhält.

Die Ergebnisse der Berechnungen beider Ganzzahlenrechenwerke und der Fließkommaeinheit werden zum Data Cache und von dort über die BIU zurück zum Arbeitsspeicher gesandt.

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