Intel Pentium

Ο Pentium ^[1] ήταν η πέμπτη γενιά μικροεπεξεργαστών 32-bit που σχεδίασε, παρήγαγε και παρουσίασε η εταιρεία ημιαγωγών Intel στις 22 Μαρτίου του 1993. Αποτέλεσε έναν επεξεργαστή, σταθμό στην ιστορία των ηλεκτρονικών υπολογιστών ενώ η τεράστια εμπορική του επιτυχία, κατέστησε το λογότυπο Pentium ένα από τα πιο ευρέως αναγνωρίσιμα εμπορικά σήματα στον πλανήτη. Ο Pentium αποτελούσε το πέμπτο μέλος μιας σειράς επεξεργαστών που ξεκινούσε από τον 8086. Από το γεγονός αυτό προέκυψε εξ' αρχής και η ονομασία του επεξεργαστή, δηλαδή από την ελληνική λέξη «πέντε» -> pente -> pentium. Αποτέλεσε επίσης τη πρώτη υπερβαθμωτή x86 μικροαρχιτεκτονική. Ως άμεσος διάδοχος του επεξεργαστή 80486 περιελάμβανε διπλή διοχέτευση ακεραίων, ταχύτερη ΜΚΕ, μεγαλύτερο δίαυλο δεδομένων, διαχωρισμένη κρυφή μνήμη δεδομένων από την υπόλοιπη καθώς και άλλα χαρακτηριστικά για περαιτέρω μείωση του χρόνου υπολογισμού διευθύνσεων. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή ξεκινούσε από τα 60 MHz στα μοντέλα των πρώτων εκδόσεων και έφθανε στα 300 ΜΗz στα τελευταία. Το 1996, κυκλοφόρησε ο Pentium MMX ο οποίος ονομάστηκε έτσι, επειδή ενσωμάτωνε το ομώνυμο σύνολο εντολών (MMX). Κατασκευαζόταν με την ίδια μικροαρχιτεκτονική σχεδίαση, διέθετε μεγαλύτερη ποσότητα κρυφής μνήμης και διάφορες άλλες βελτιωτικές τροποποιήσεις.

Εικόνα του ολοκληρωμένου κυκλώματος του Intel Pentium A80501, 66MHz

P5
Μέγεθος κρυφής μνήμης 2ου επιπέδου	16 - 32 KB
Συμβατές Υποδοχές	Socket 4 Socket 5 Socket 7
Προκάτοχος	Intel 80486
Διάδοχος	P6

Η οικογένεια επεξεργαστών Pentium

Κύριοι ανταγωνιστές των πρώτων Pentium στην αγορά, ήταν οι επεξεργαστές 68060 της Motorola και ο PowerPC 601. Η παραγωγή του σταμάτησε το 2009 ^[2].

Τον Μάιο του 1997, τον διαδέχθηκε ο Pentium II ενώ είχε κυκλοφορήσει και ένα ενδιάμεσο μοντέλο με την ονομασία Pentium Pro, τον Οκτώβρη του 1995.

Σχεδιασμός και ανάπτυξη

Οι πρώτοι σχεδιασμοί ξεκίνησαν το 1989 και η ομάδα σχεδιασμού ήταν η ίδια που είχε σχεδιάσει και τους επεξεργαστές i386 και i486. Οι μηχανικοί κατέληξαν στο σχεδιασμό μιας υπερβαθμωτής αρχιτεκτονικής, με ενσωματωμένη κρυφή μνήμη και ΜΚΕ πάνω στο τσιπ του επεξεργαστή. Οι πρώτοι σχεδιασμοί ολοκληρώθηκαν 1 χρόνο αργότερα, μαζί με τη πρώτη επιτυχημένη προσομοίωση του επεξεργαστή. Τελικώς, τον Απρίλιο του 1992 έγινε η πρώτη υλοποίηση σε πυρίτιο και ξεκίνησαν οι δοκιμές πάνω στο πρωτότυπο. Εκείνο τον καιρό, η ομάδα ανάπτυξης απασχολούσε 200 μηχανικούς. Τα αρχικά πλάνα της Intel ήταν να κάνει μια επίδειξη του επεξεργαστή στην εμπορική έκθεση PC Expo τον Ιούνιο του 1992 και να τον παρουσιάσει επίσημα τον Σεπτέμβρη της ίδιας χρονιάς. Ωστόσο, ανέκυψαν ορισμένα σχεδιαστικά προβλήματα που οδήγησαν στην απόσυρση του πρωτοτύπου, και την καθυστέρηση της παρουσίασης του επεξεργαστή μέχρι την άνοιξη του 1993.

Μείζονες βελτιώσεις σε σχέση με την αρχιτεκτονική των i486

• Απόδοση
  • Υπερβαθμωτή αρχιτεκτονική (Superscalar architecture) - Οι Pentium υποστήριζαν διπλή διοχέτευση εντολών, δηλαδή μπορούσαν να εκτελούν δυο εντολές σε έναν κύκλο ρολογιού. Ο πρώτος δίαυλος διοχέτευσης μπορούσε να χειριστεί οποιαδήποτε εντολή ενώ ο δεύτερος χειριζόταν τις εντολές που χρησιμοποιούταν πιο συχνά. Ορισμένοι υποστηρικτές των αρχιτεκτονικών τύπου RISC υποστήριζαν ότι το σύνολο εντολών x86 είναι τόσο πολύπλοκο που δεν θα μπορούσε ποτέ να υλοποιηθεί πάνω σε μια αρχιτεκτονική σχεδίαση τύπου διοχέτευσης, πόσο μάλλον όταν η διοχέτευση ήταν διπλή. Η υλοποίηση των επεξεργαστών Pentium επιβεβαίωσε την ορθότητα της σχεδιαστικής αυτής πρωτοπορίας.
  • Η χωρητικότητα του διαύλου δεδομένων αυξήθηκε στα 64-bit και έτσι οι Pentium ήταν σε θέση να διαβάζουν τον κώδικα εντολών τους από τη κρυφή μνήμη ή (να εγγράφουν στη κρυφή μνήμη) δυο φορές πιο γρήγορα σε σχέση με τους 80486.
  • Ο διαχωρισμός της κρυφής μνήμης κώδικα από τη κρυφή μνήμη δεδομένων μείωσε τις συγκρούσεις των εντολών εγγραφής/ανάγνωσης σε σχέση με τον επεξεργαστή 80486.
  • Ταχύτερη ΚΜΕ. Η βελτίωση σε σχέση με τον 80486 ήταν 15 φορές μεγαλύτερη.
  • Ταχύτερος υπολογισμός διευθύνσεων σε σχέση με τον 80486. Η προσθήκη τεσσάρων επιπλέον αθροιστών επιτρέπει τον υπολογισμό των διευθύνσεων μόνο σε 1 κύκλο ρολογιού.

Ο επεξεργαστής Pentium ήταν σχεδιασμένος έτσι ώστε να εκτελεί 100 εκατομμύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο, όμως το μοντέλο των 75 ΜΗz μπορούσε να εκτελέσει 126,5 εκατομμύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο. Συμπερασματικά, η αρχιτεκτονική Pentium ήταν σχεδόν δυο φορές ταχύτερη από τον προγενέστερο 80486.

Τεχνικά χαρακτηριστικά

• Η συχνότητα λειτουργίας του (χρονισμός ρολογιού) ξεκινούσε από τα 60 ΜHz και έφτανε στα 300 MHz.
• Η ταχύτητα του διαύλου FSB (Front-side bus) ήταν στα 50 και 66 MHz
• Αποτελούνταν από 3.100.000 τρανζίστορ στις εκδόσεις P5, 3.300.000 στις εκδόσεις P54 και έφτανε στα 4.500.000 σε όλες τις εκδόσεις MMX και overdrive. Σε κάθε περίπτωση, τουλάχιστον 100 φορές λιγότερα από ότι περιέχει ένας σημερινός μικροεπεξεργαστής.
• Είχε εσωτερική κρυφή μνήμη (L1 cache) με χωρητικότητα 8 + 8 KB στα πρώτα μοντέλα (P5) ή 16 + 16KB σε όλες τις MMX εκδόσεις σε ορισμένες overdrive και σε ορισμένες με κωδικό P54.
• Είχε δυνατότητα διευθυνσιοδότησης στα 32 bit (δίαυλος διευθύνσεων, address bus), δηλαδή διαχειριζόταν 2³² byte μνήμης, ήτοι 4.294.967.296 byte ή 4 GB. Επίσης μπορούσε να διευθυνσιοδοτήσει 2⁴⁶ ή 64 terabyte εικονικής μνήμης (Virtual Memory).^[3]
• Με τα εξωτερικά κυκλώματα επικοινωνούσε με δίαυλο δεδομένων (data bus) των 64 bit.
• Η τεχνολογία ολοκλήρωσης ξεκινούσε από το 0.8 μm και έφτανε στα 0.25 μm.
• Η τάση τροφοδοσίας κυμαινόταν από τα 5V στις επιτραπέζιες εκδόσεις ενώ έφτανε στα 1,8 V στις φορητές και ενσωματωμένες εκδόσεις.

Προβλήματα και αστοχίες

Οι πρώτες εκδόσεις Pentium των 60-100 ΜΗz παρουσίαζαν ένα πρόβλημα στην μονάδα κινητής υποδιαστολής τους (συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα ορισμένων διαιρέσεων ήταν λάθος, αλλά μπορούσαν να προβλεφθούν) το οποίο όμως ανακαλύφθηκε το 1994. Η Intel ζήτησε συγνώμη από τους δυσαρεστημένους πελάτες της, και δημιούργησε ένα εμπορικό πρόγραμμα απόσυρσης των ελαττωματικών επεξεργαστών και τη χορήγηση νέων, για να τους αποζημιώσει. Λίγο καιρό αργότερα, ανακαλύφθηκε και ένα ένα κενό ασφαλείας, μέσω του οποίου ένα κακόβουλο λογισμικό μπορούσε να τερματίσει ολόκληρο το σύστημα, ακόμη και αν δεν διέθετε ειδικά προνόμια πρόσβασης. Τα λειτουργικά συστήματα της εποχής, μπόρεσαν ευτυχώς να δώσουν λύσεις δια της πλαγίας οδού, έτσι ώστε να αποφευχθούν χειρότερα προβλήματα.

Προβλήματα υπήρχαν επίσης και με την έκλυση θερμότητας των επεξεργαστών. Ειδικότερα τα μοντέλα των 60 και 66 MHz, είχαν τόσο μεγάλη ηλεκτρική τάση λειτουργίας (5V) που τους βγάλανε το παρατσούκλι "καφετιέρες" και άλλα συναφή. Τα μοντέλα της δεύτερης έκδοσης (P54C) είχαν χαμηλότερη τάση λειτουργίας στα 3,3V και κατά συνέπεια μείωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης κατά 51%. Τα μοντέλα της πρώτης έκδοσης (P5) ήταν συμβατά με την υποδοχή Socket 4. Τα μοντέλα της δεύτερης έκδοσης (P54C) με την υποδοχή Socket 5 ενώ στις τελευταίες εκδόσεις, χρησιμοποιούσαν την υποδοχή Socket 7.

Μέλη της οικογένειας Pentium

Εκδόσεις

P5

Σχεδιάγραμμα της μικροαρχιτεκτονικής Pentium.

Ήταν η πρώτη έκδοση των Pentium (μοντέλα 80500 & 80501 στα 60 MHz και 66 MHz και τάση λειτουργίας στα 5V), κατασκευασμένοι σε κεραμική βάση 273 ακίδων, τύπου PGA (Pin Grid Array). Αποτελούνταν από 3,1 εκατομμύρια τρανζίστορ στα 0.8 μm, με διαστάσεις 16.7 x 17.6 mm και καταλάμβανε επιφάνεια 293,3 τετρ.χιλιοστών.

P54C

Εικόνα του ολοκληρωμένου κυκλώματος του επεξεργαστή Intel Pentium P54C

Ήταν η δεύτερη έκδοση των Pentium (μοντέλο 80502 στα 75, 90 ή 100 MHz και τάση λειτουργίας στα 3.3V). Ήταν οι πρώτοι που ενσωμάτωναν έναν πολλαπλασιαστή στη συχνότητας λειτουργίας του πυρήνα του επεξεργαστή κάτι που του επέτρεπε να λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες απ' ό,τι οι εξωτερικοί δίαυλοι επικοινωνίας. Αποτελούνταν από 3.3 εκατομμύρια τρανζίστορ και καταλάμβανε επιφάνεια 163 τετρ.χιλιοστών.

P54CQS

Ο επεξεργαστής αυτός αποτελούσε βελτίωση δεύτερης έκδοσης, με συχνότητα λειτουργίας στα 120 MHz. Ήταν ο πρώτος που κατασκευάζονταν στα 0.35 μm αλλά παρ' όλα αυτά αποτελούνταν από τον ίδιο αριθμό τρανζίστορ (3.3 εκ.) και καταλάμβανε την ίδια επιφάνεια.

P54CS

Αποτελούσε επίσης μια βελτίωση της δεύτερης έκδοσης, με συχνότητες λειτουργίας 133, 150, 166 και 200 MHz. Αποτελούνταν επίσης από 3.3 εκ. τρανζίστορ στα 0.35 μm, με τη διαφορά ότι καταλάμβανε λιγότερη επιφάνεια (90 τετρ. χιλιοστά).

P55C

Το αναβαθμισμένο λογότυπο "Pentium" που υποδεικνύει την υποστήριξη MMX(1993-1999).

Σχεδιάγραμμα της μικροαρχιτεκτονικής των Intel Pentium MMX.

Pentium MMX 166 MHz χωρίς κάλυμμα

Ήταν η τρίτη έκδοση των Pentium (μοντέλο 80503) η οποία κατασκευάστηκε από το Τμήμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Intel, στη Χάιφα του Ισραήλ και κυκλοφόρησε στις 22 Οκτωβρίου 1996. Η διαφορά του από τις προηγούμενες εκδόσεις ήταν ότι ενσωμάτωνε το νέο σύνολο εντολών MMX. Το γεγονός αυτό τονίστηκε και στην εμπορική του ονομασία, αφού πήρε την επωνυμία Pentium MMX. Με το νέο αυτό σύνολο εντολών, υπήρχε βελτίωση της απόδοσης κατά την επεξεργασία ή αναπαραγωγή πολυμέσων (όπως π.χ. κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση ψηφιακής εικόνας ή ήχου).

Αποτελούνταν απο 4.5 εκατομμύρια τρανζίστορ στα 0.28 μm και καταλάμβανε επιφάνεια 140 τετρ.χιλιοστών. Ήταν συμβατός με την υποδοχή Socket 7 ωστόσο η απαίτησή του σε ηλεκτρική τάση, διέφερε από τη τροφοδοσία που μπορούσε να παρέχει η υποδοχή, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της. Έτσι, ο επεξεργαστής αυτός μπορούσε να λειτουργήσει μόνο σε μητρικές πλακέτες που κατασκευάστηκαν μετά τη κυκλοφορία του.

Tilamook

Ήταν η έκδοση των Pentium MMX για φορητούς υπολογιστές. Ήταν απευθείας ενσωματωμένος πάνω σε μια πλακέτα μικρού μεγέθους και η οποία στη συνέχεια τοποθετούνταν στη μητρική πλακέτα του φορητού υπολογιστή.

Πηγές

• Ιστορία της υπολογιστικής τεχνολογίας, του Paul E. Ceruzzi- Εκδόσεις: Κάτοπτρο. ISBN 960-7778-92-8

Παραπομπές

1. «Microprocessor Hall of Fame». Intel. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 6 Ιουλίου 2007. Ανακτήθηκε στις 11 Αυγούστου 2007.
2. Διάρκεια ζωής μικροεπεξεργαστών στα Αγγλικά
3. Εγχειρίδιο του i386

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Ιστοσελίδα με χαρακτηριστικά όλων των επεξεργαστών (Αγγλικά)
• Ιστοσελίδα με αναλυτικές πληροφορίες μικροεπεξεργαστών (Αγγλικά)
• Plasma Online Intel CPU Identification(Αγγλικά)
• Pictures of all known Pentium chips at chipdb.org(Αγγλικά)
• The Pentium Timeline Project Αρχειοθετήθηκε 2021-12-23 στο Wayback Machine. The Pentium Timeline Project maps oldest and youngest chip known of every s-spec made. Data are shown in an interactive timeline.(Αγγλικά)