Максимально быстрый тип кэша. Галерея эффектов кэшей процессоров

Первым процессором, который производился с кэшем L2, стал Pentium Pro в 1995 году. У него было 256 или 512 кбайт кэша второго уровня на кристалле, что давало существенное преимущество над обычными процессорами Pentium, чей кэш располагался на материнской плате. С появлением Pentium II в модуле Slot 1 выделенная кэш-память "поселилась" рядом с процессором. Но только у второго поколения Pentium III для Socket 370 кэш-память перешла на кристалл процессора. Так продолжается и по сей день, но есть процессоры с небольшим количеством кэша, а есть с большим. Стоит ли тратить деньги на модель с большим кэшем? В прошлом дополнительная кэш-память не всегда ощутимо влияла на производительность.

Хотя всегда можно найти измеряемые различия между двумя процессорами с разными размерами кэша, для экономии средств вполне можно было покупать процессоры с меньшим кэшем. Но ни один процессор до появления Core 2 Duo не был доступен с тремя разными вариантами кэша.

Pentium 4 в своём первом поколении (Willamette, 180 нм) оснащался 256 кбайт кэша, а в более успешном втором поколении (Northwood, 130 нм) - уже 512 кбайт кэша. В то время дешёвые процессоры Celeron с меньшим кэшем производились на тех же вычислительных ядрах. Celeron относятся к первому поколению продуктов с одной технологической базой для high-end и дешёвых моделей, различающихся только доступным размером кэша и частотами FSB/ядра. Позднее была добавлена и разница в функциях, чтобы заметнее разделить сегменты рынка.

С выпуском 90-нм ядра Prescott объём кэша L2 вырос до 1 Мбайт, и этот процессор стал основой линейки настольных процессоров Intel до появления 2-Мбайт 65-нм Cedar Mill. Intel даже использовала два таких ядра для создания процессоров Pentium D 900 второго поколения. Впрочем, более быстрые тактовые частоты и больший объём кэша даже тогда не значили очень много. Сегодня ситуация изменилась: лучшая производительность Core 2 Duo (Conroe, 65 нм) и меньшее энергопотребление немало обязаны размеру кэша.

AMD весьма сдержанно относилась к увеличению объёма кэша. Скорее всего, это связано с площадью кристалла (бюджетом транзисторов), поскольку количество 65-нм процессоров не может удовлетворить спрос на рынке, а у менее выгодных 90-нм моделей этот вопрос стоит ещё острее. У Intel, с другой стороны, есть преимущество в виде производства всех массовых процессоров по 65-нм техпроцессу, да и ёмкость кэша L2 будет ещё расти. Например, следующее поколение Core 2 на 45-нм ядре Penryn будет оснащаться до 6 Мбайт кэша L2. Можно ли рассматривать это как маркетинговый шаг, или увеличение ёмкости L2 действительно даст прирост производительности? Давайте посмотрим.

Большой кэш L2: маркетинг или рост производительности?

Кэши процессора играют вполне определённую роль: они уменьшают количество обращений к памяти, буферизуя часто используемые данные. Сегодня ёмкость ОЗУ составляет от 512 Мбайт до 4 Гбайт, а объём кэша - от 256 кбайт до 8 Мбайт, в зависимости от модели. Впрочем, даже небольшого объёма кэша в 256 или 512 кбайт достаточно, чтобы обеспечить высокую производительность, которую сегодня воспринимают само собой разумеющейся.

Есть разные способы организации иерархии кэша. В большинстве современных компьютеров установлены процессоры с небольшим кэшем первого уровня (L1, до 128 кбайт), который обычно разделяется на кэш данных и кэш инструкций. Кэш L2 большего размера обычно используется для хранения данных, он является общим для двух процессорных ядер Core 2 Duo, хотя Athlon 64 X2 или Pentium D имеют раздельные кэши на ядро. Кэш L2 может работать эксклюзивно или инклюзивно, то есть он может либо хранить копию содержимого кэша L1, либо нет. AMD вскоре представит процессоры с третьим уровнем кэша, который будет общим для четырёх ядер в процессорах AMD Phenom. То же самое ожидается и для архитектуры Nehalem, которую Intel представит в 2008 году на замену текущим Core 2.

Кэш L1 всегда был в составе процессора, но поначалу кэш L2 устанавливался на материнские платы, как было в случае многих компьютеров 486DX и Pentium. Для кэш-памяти первого уровня использовались простые чипы статической памяти (SRAM, Static RAM). Они вскоре были заменены конвейерным пакетным кэшем (pipelined burst cache) у процессоров Pentium, пока не появилась возможность устанавливать кэш на кристалл. Pentium Pro на 150 - 200 МГц стал первым процессором, содержащим 256 кбайт кэш-памяти L2 на кристалле, побив рекорд по размеру керамической упаковки для настольных ПК и рабочих станций. Pentium III для Socket 370, работающий на частотах от 500 МГц до 1,13 ГГц, стал первым процессором с 256 кбайт кэш-памяти на кристалле L2, что давало преимущество по снижению задержек, поскольку кэш работает на частоте CPU.

Встроенный кэш L2 дал существенный прирост производительности практически в любых приложениях. Увеличение производительности оказалось столь существенным, что появление интегрированного кэша L2 можно назвать самым важным фактором производительности у процессоров x86. Отключение кэша L2 снизит производительность сильнее, чем отключение второго ядра у двуядерного процессора.

Однако кэш-память влияет не только на производительность. Она стала мощным инструментом, позволяющим создавать разные модели процессоров для low-end, массового и high-end сегментов, поскольку производитель может гибко отбирать процессоры по отбраковке и тактовым частотам. Если на кристалле нет дефектов, то можно включить весь кэш L2, да и частоты получаются высокие. Если же желаемых тактовых частот достичь не удастся, то кристалл может стать моделью начального уровня в high-end линейке, например, Core 2 Duo 6000 с 4 Мбайт кэша и низкими частотами. Если дефекты присутствуют в кэше L2, то производитель имеет возможность отключить его часть и создать модель начального уровня с меньшим объёмом кэша, например, Core 2 Duo E4000 с 2 Мбайт кэша L2 или даже Pentium Dual Core всего с 1 Мбайт кэша. Всё это действительно так, но вопрос заключается в следующем: насколько различие в объёме кэша влияет на производительность?

Варианты Core 2 Duo

Intel выпустила на рынок большой ассортимент настольных процессоров. Сегодня ещё можно найти Pentium 4 и Pentium D, но большинство моделей построено на микро-архитектуре Core. Мы не рекомендуем брать процессоры Pentium 4 или Pentium D, хотя их тактовые частоты до 3,8 ГГц могут выглядеть привлекательно. Но любой процессор Core 2 на частоте 2,2 ГГц и выше способен победить даже самые быстрые модели Pentium D (собственно, как и Athlon 64 X2), поскольку Core 2 даёт намного лучшую производительность на такт .

Благодаря меньшим тактовым частотам процессоры Core 2 более эффективны по энергопотреблению. Если топовые модели Pentium D 800 "съедают" до 130 Вт, то лишь Core 2 Extreme с четырьмя ядрами преодолевает порог 100 Вт. Все двуядерные процессоры потребляют не больше 65 Вт. Кроме того, энергопотребление в режиме бездействия процессоров Core 2 Duo ещё ниже, поскольку рабочая частота в режиме бездействия меньше (максимум 1,2 ГГц для Core 2 Duo/Quad против 2,8 ГГц для Pentium D/4). На снижение энергопотребления повлиял улучшенный дизайн транзисторов с уменьшенными токами утечки.

Сегодня доступны модели E и X. Модели E предназначены для массового рынка, а X относятся к классу Extreme Edition. Q обозначает четыре ядра, которые Intel создаёт, размещая два двуядерных кристалла в одной физической упаковке. Процессоры E6000 оснащены 4 Мбайт кэша L2, если их модельный номер выше E6400 или заканчивается на 20 (например, E6320). Модели, заканчивающиеся на 00 (например, E6600) работают с FSB 266 МГц (FSB1066), а модели, заканчивающиеся на 50 (E6750), работают с FSB 333 МГц (FSB1333). Последняя требует чипсета P35 или X38 и даёт чуть более высокую производительность. E4000 работает с FSB 200 МГц (FSB800) и имеет всего 2 Мбайт кэша L2. Версии с 1 Мбайт кэша продаются как Pentium Dual Core E2140, E2160 и E2180 с частотами от 1,6 до 2,0 ГГц. Кроме названия и некоторых функций, которые Intel отключает у дешёвых процессоров, упомянутые модели Pentium Dual Cores идентичны Core 2 Duo.

Тесты и настройки

Заключение

Если объём кэш-памяти ограниченно влияет на такие синтетические тесты, как PCMark05, то разница в производительности большинства реальных приложений оказалась весьма существенной. Поначалу это кажется удивительным, поскольку опыт говорит, что именно синтетические тесты дают самую ощутимую разницу в производительности, которая мало отражается на реальных приложениях.

Ответ прост: размер кэша очень важен для современных процессоров с микро-архитектурой Core 2 Duo. Мы использовали 4-Мбайт Core 2 Extreme X6800, 2-Мбайт Core 2 Duo E4400 и Pentium Dual Core E2160, который является процессором Core 2 Duo с кэшем L2 всего 1 Мбайт. Все процессоры работали на одинаковой системной шине 266 МГц и с множителем 9x, чтобы частота составила 2 400 МГц. Единственная разница заключается в размере кэша, поскольку все современные двуядерные процессоры, за исключением старого Pentium D, производятся из одинаковых кристаллов. Чем станет ядро, Core 2 Extreme Edition или Pentium Dual Core, определяется выходом годных кристаллов (дефектами) или спросом рынка.

Если вы сравните результаты 3D-шутеров Prey и Quake 4, являющих типичными игровыми приложениями, разница в производительности между 1 и 4 Мбайт составляет примерно один шаг по частоте. То же самое касается тестов кодирования видео для кодеков DivX 6.6 и XviD 1.1.2, а также архиватора WinRAR 3.7. Однако, такие интенсивно нагружающие CPU приложения, как 3DStudio Max 8, Lame MP3 Encoder или H.264 Encoder V2 от MainConcept не слишком сильно выигрывают от увеличения размера кэша.

Впрочем, подход Intel, а именно, использование всего доступного бюджета транзисторов, который увеличился при переходе с 65-нм техпроцесса на 45-нм, имеет для микро-архитектуры Core 2 Duo определённую значимость. Кэш L2 у этих процессоров работает очень эффективно, особенно, если учесть, что он общий для двух ядер. Поэтому кэш нивелирует влияние разных частот памяти и предотвращает "узкое место" в виде FSB. И делает он это замечательно, поскольку тесты наглядно показывают, что производительность процессора с одним мегабайтом кэш-памяти невысокая.

С этой точки зрения увеличение размера кэша L2 с 4 Мбайт до, максимум, 6 Мбайт у грядущих 45-нм двуядерных процессоров Penryn (линейка Core 2 Duo E8000) имеет смысл. Уменьшение техпроцесса с 65 до 45 нм позволяет Intel увеличить бюджет транзисторов, и благодаря увеличению объёма кэша мы вновь получим рост производительности. Впрочем, Intel получит выгоду из-за разных вариантов процессоров с 6, 4, 2 или даже 1 Мбайт кэша L2. Благодаря нескольким вариантам Intel может использовать большее число кристаллов с пластины, несмотря на наличие случайных дефектов, которые в противном случае приводили бы к попаданию кристалла в мусорную корзину. Большой размер кэша, как видим, важен не только для производительности, но и для прибыли Intel.

Дворовый турнир:
1. Тактовую частоту измеряют в: ГГц
2. Гипертекст это: Текст, в котором может осуществлятся переход по выделенным меткам
3. Перезаписываемые лазерные диски называются: DVD-RW
4. Принтер предназначен для: Вывода информации на бумагу
5. Программой архиватором называют: Программу для сжатия файлов
6. Производительность компьютера зависит от: Тактовой частоты процессора
7. Компьютерные вирусы: Создаются людьми специльно для нанесения ущерба ПК
8. Наименьшей единицей измерения информации является: бит
9. Жесткие диски получили название: Винчестер
10. Для подключения компьютера к телефонной сети используется: Модем
11. Сколько бит содержится в одном байте: 8
12. Выберите правильный порядок возрастания: Байт, килобайт, мегабайт, гигабайт
13. Для долговременного хранения информации служит: Жесткий диск
14. Какая программа обязательна для установки на компьютер: Операционная система
15. Процессоры различаются между собой: Разрядностью и тактовой частотой

Городской турнир:
1. Системное время компьютера постоянно сбрасывается, как решить проблему: Заменить батарейку BIOS
2. Какой тип кабеля наиболее восприимчив к электронным помехам: Неэкранированная витая пара
3. Какой из перечисленных IP-адресов является корректным с точки зрения формата: 192.168.0.3
4. Что такое браузер: Программа для просмотра интернет-страниц
5. Какое из устройств не относится к HID устройствам: Процессор
6. Укажите максимально быстрый тип кэша в процессоре: L1
7. Какое устройство необходимо внедрить в сеть для фильтрации трафика на границе между внешней и внутренней локальной сетью, пропуская только разрешенные пакеты: Межсетевой экран
8. Объем информации в DVD: 4.7 Гбайт
9. Графика в виде совокупности точек называется: Растровой
10. На задней панели компьютера расположен 25-ти контактный разъем типа «папа». Что это: COM порт
11. Витая пара, коаксиальный, оптоволоконный - это: Кабели, используемые для создания сети
12. Что из перечисленного происходит при использовании RAID-массивов: Повышается надёжность хранения данных
13. Компьютер, подключенный к Интернет, обязательно имеет: IP-адрес
14. Какая из файловых систем предназначена для оптических носителей: UDF
15. Элементарным объектом, используемым в растровом графическом редакторе является: Пиксель

Региональный турнир:
1. Какой сетевой протокол для работы использует утилита ping: ICMP
2. Какой протокол проверяет соответствие ip-адресов mac-адресам: ARP
3. Для каких целей служит система DNS: Для получения информации о доменах
4. Какой из перечисленных параметров клиент не может получить от DHCP cервера: IP-адрес SMTP сервера
5. Какой номер порта официально выделен IANA для протокола SMTP: 25
6. Какая технология предусмотрена специально на случай сбоя жесткого диска сервера: RAID
7. Какой вид атаки осуществляется для перехвата пакетов: Снифинг
8. Какую утилиту из необходимо использовать для сканирования IP-сетей: nmap
9. Какой из перечисленных протоколов реализует гарантированную доставку информационных пакетов: Протокол TCP
10. Какая команда Windows XP позволяет вывести на экран таблицу маршрутизации: route
11. Какой протокол не является протоколом электронной почты: HTTP
12. Какой из перечисленных протоколов реализует не гарантированную доставку информационных пакетов: Протокол IP
13. При помощи какой команды Windows возможно проверить наличие TCP-сервера на произвольном порту удаленного компьютера: telnet
14. На каком уровне сетевой модели OSI функционирует маршрутизатор: Сетевой
15. Какое из перечисленых средств применяется для диагностики уязвимостей серверов: Сканер XSpider

Федеральный турнир:
1. В ANSI/SQL какой из операторов позволяет объединить результаты нескольких запросов, не исключая одинаковые строки: union
2. Какой тип сервера позволит организовать общий доступ нескольких рабочих станций в Интернет: Proxy-сервер
3. HTML. Что определяет атрибут colspan тега : Объединяет ячейки по горизонтали
4. В ANSI/SQL какой из перечисленных логических порядков выполнения инструкции select верен: from -> where -> group by -> join
5. HTML. Какой тег нужно использовать для отображения текста со всеми пробелами:

6. В ANSI/SQL какой из перечисленных ограничений в команде create table определяет значение, автоматически выставляемое при добавлении записи, если пользователь не введет его: default
 7. Какая команда Windows позволяет получить список TCP соединений: netstat-a
 8. HTML. Какой тег не является параметром тега : href
 9. HTML. Какое написание из приведенных вариантов правильное: 
 10. HTML. Какой из приведенных фрагментов кода выравнивает содержимое ячейки по правому краю: 
 11. HTML. Какой тег определяет фоновую картинку: body background
 12. HTML. Какой тег является тегом перевода строки: 

 13. В ANSI/SQL какое из перечисленных ключевых слов запроса применяется для сортировки по убыванию: desc
 14. HTML. В какой строке содержится корректный синтаксис: body{color:black}
 15. HTML. Какой тег не является тегом организации списка: 
Международный турнир:
 1. Что в С++ обозначается ключевым словом catch: Блок обработки исключения
 2. Java. Какой из перечисленных объявлений дробного литерала не является правильным: double d = 1e0;
 3. С++. Область видимости переменной, объявленной внутри блока распространяется: От места объявления переменной до конца блока
 4. Java. Какой модификатор требуется применить, чтобы некоторые поле объекта не сериализовалось соответствующим механизмом по умолчанию: transient 
 5. Java. Какое отличие существует между операторами break и continue: continue может использоваться только внутри цикла
 6. Что из перечисленного является объявлением в С++: int *a
 7. Что в ANSI/SQL операторе select позволяет выбрать все имена полей из списка таблиц: *
 8. Java. Какой результат выполнения указанной строки: int i = Integer.MAX_VALUE+10: Значением i станет отрицательное число
 9. Java. Какие из приведенных фрагментов кода приведут к ошибке компиляции из-за некорректного использования комментариев: circle.get/*comment*/Radius();
 10. В С++ оператор typeid() возвращает: Ссылку на тип стандартной библиотеки, называемой type_info
 11. Как в С++ выглядит операция разрешения контекста (операция разрешения области видимости): ::
 12. Чем в С++ классы отличаются от структур: Модификатором доступа к полям и функциям-членам по умолчанию
 13. В ANSI/SQL какое ключевое слово служит для создания псевдонима столбцу результата выборки: ALIAS
 14. Для чего в С++ предназначен оператор sizeof: Для определения количества байт, занимаемых типом
 15. Как в С++ правильно вызвать эту функцию: int sum (int a, int b) {return a + b}: sum(7,8);


1)Кеш-память
 Кэш-память (от англ.
 cache, дословно - «заначка», «кубышка», амер.англ. cash - «наличные», «деньги под рукою») - память ЭВМ
 с быстрым доступом, где дублируется часть данных с другого носителя
 с более медленным доступом, или хранятся данные, для получения которых требуются «дорогие» (в смысле временных затрат) вычисления. Иногда для краткости кэш-память называют просто «кэш».
Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходило бы без её использования. Процесс организации доступа через кэш-память называется кэшированием, а та память, которая кэшируется, называется основной памятью.
^
 
Кеширование оперативной памяти

 
 Наиболее часто термин кеш-память используется для обозначения кеш
-памяти, находящейся между регистрами центрального процессора (ЦП)
 и оперативной памятью (ОЗУ)
.
Кеш-память может давать значительный выигрыш в производительности
, потому что в настоящее время тактовая частота ОЗУ
 значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кеш-памяти обычно не намного меньше частоты ЦП.
^
 
Уровни кеша

 
 Разделение кеш-памяти на несколько уровней (до 3 для универсальных процессоров по состоянию на начало 2007 года). Кеш-память уровня N+1 всегда больше по размеру и медленнее по скорости обращения, чем кеш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кеш-память первого уровня (она же L1-cache), по сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле
 и входит в состав функциональных блоков, без неё процессор не сможет функционировать. Память L1 работает на частоте процессора, и в общем случае обращение к ней может производится каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно), латентность доступа обычно равна 2-4 такта ядра, объём этой памяти обычно невелик - не более 64 Кб. Второй по быстродействию является L2 (в отличие от L1 её можно отключить с сохранением работоспособности процессора), кеш второго уровня, она обычно расположена либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах), в старых процессорах её располагали на системной плате. Объём L2 побольше - от 128 Кб до 1-4 Мб. Обычно латентность L2 расположенной на кристалле ядра составляет от 8 до 20 тактов ядра. Кеш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера и всё равно значительно быстрее чем оперативная память.
^
 
Ассоциативность кэша

 
 Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти - уровень ассоциативности - отображает ее логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свел бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жестко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n-канальная ассоциативность (n-way set associative) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в п мест кэш-памяти.
При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.
^
 
Политика записи при кешировании

 
 При чтении данных кеш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кеш-памяти..
Существуют две основные политики записи кеш-памяти - сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).

 сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кеш и в основную память. 

 отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кеш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП, контроллер DMA) либо нехватки места в кеше для размещения других данных. Производительность
, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кеша в основную память. Кроме того, в случае кеширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кешах. 
^
 
Кеширование внешних накопителей

 
 Многие периферийные устройства хранения данных используют кеш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кеш-память от 1 до 16 Мб (модели с поддержкой NCQ
/TCQ
 используют её для хранения и обработки запросов), устройства чтения CD/DVD/BD-дисков так же кешируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения.
Операционная система так же использует часть оперативной памяти в качестве кеша дисковых операций (в том числе для внешних устройств, не обладающих собственной кеш-памятью, например, USB-flash, дисковод для дискет).
^
 
Кеширование интернет-страниц

 
 Процесс сохранения часто запрашиваемых документов на промежуточных прокси-серверах
 или машине пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика
. Т.е. перемещение информации поближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи HTTP-заголовков

^
 
Кеширование результатов работы

 
 Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы не вычислять их каждый раз, когда они понадобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кеширования является индексирование
 баз данных.
2) Intel 80286 (также известный как i286) - 16-битный x86
-совместимый процессор второго поколения фирмы Intel выпущенный 1 февраля
 года. Данный процессор представляет собой усовершенствованный вариант процессора Intel 8086
 и был в 3-6 раз быстрее него. Процессор применялся, в основном, в IBM PC
 совместимых ПК.
Описание
 Процессоры i286 разрабатывались параллельно процессорам Intel 80186
/
, однако в нём отсутствовали некоторые модули, имевшиеся в процессоре Intel 80186. Процессор i286, выпускался в точно таком же корпусе как и i80186 - LCC, а также в корпусах типа PGA с 68 выводами. В новом процессоре было увеличено количество регистров
, добавлены новые инструкции, добавлен новый режим работы процессора - защищённый режим
. Процессор имел 6 байтовую
 очередь (как и Intel 8086). Шины адреса
 и данных
 теперь не мультиплексируются (то есть, адреса и данные передаются по разным ножкам). Шина адреса увеличена до 24 бит, таким образом объем ОЗУ
 может составлять 16 Мбайт. Процессор не умел выполнять операции над числами с плавающей запятой, для выполнения таких операций был необходим математический сопроцессор
, например Intel 80287.
Регистры
 К 14 регистрам процессора Intel 8086 были добавлены 11 новых регистров, необходимых для реализации защищённого режима и других функций: регистр слово состояния машины, 16 бит (MSW); регистр задачи, 16 бит (TR); регистры дескрипторной таблицы
, один 64-битный и два 40-битных (GDTR, IDTR, LDTR) и 6 регистров расширения сегментных регистров, 48 бит.
Режимы работы процессора i286
В процессоре i286 было реализовано два режима работы - защищённый режим
 и реальный режим
. В реальном режиме работы процессор был полностью совместим с процессорами x86 выпускавшимися до этого, то есть процессор мог выполнять программы предназначенные для Intel 8086/8088/8018x без повторного ассемблирования или с переассемблированием с минимальными модификациями. В формировании адреса участвовали только 20 линий шины данных, поэтому максимальный объём адресуемой памяти, в этом режиме, остался прежним - 1 Мбайт. В защищённом режиме процессор мог адресовать до 1 Гбайт виртуальной памяти
 (при этом объем реальной памяти составлял не более 16 Мбайт), за счёт изменения механизма адресации памяти. Переключение из реального режима в защищенный происходит программно и относительно просто, однако для обратного перехода необходим аппаратный сброс процессора, который в IBM PC-совместимых машинах осуществлялся обычно с помощью контроллера клавиатуры. Для отслеживания текущего режима работы процессора используется регистр слово состояния машины (MSW). Программы реального режима без модификаций в защищенном режиме исполняться не могут, так же как и программы BIOS машины.
Физический адрес формируется следующим образом. В сегментных регистрах хранится селектор
, содержащий индекс дескриптора
 в таблице дескрипторов
 (13 бит), 1 бит, определяющий к какой таблице дескрипторов будет производиться обращение (к локальной или к глобальной) и 2 бита запрашиваемого уровня привилегий. Далее происходит обращение к соответствующей таблице дескрипторов и соответствующему дескриптору, который содержал начальный, 24-битный, адрес сегмента, размер сегмента и права доступа. После чего вычислялся необходимый физический адрес, путём сложения адреса сегмента со смещением, хранящемся в 16-разрядном указательном регистре.
Однако защищённый режим в процессоре Intel 80286 обладал и некоторыми недостатками, такими как, несовместимость с программами, написанными для реального режима MS-DOS, для перехода из защищенного режима в реальный режим требовался аппаратный сброс процессора.
^
 
Защищённый режим
 
 Режим защиты памяти. Разработан фирмой Digital Equipments (DEC) для 32-разрядных компьютеров VAX-11. Основная мысль сводится к формированию таблиц описания памяти, которые определяют состояние её отдельных сегментов/страниц и т.п. При нехватке памяти операционная система может выгрузить часть данных из оперативной памяти на диск, а в таблицу описаний внести указание на отсутствие этих данных в памяти. При попытке обращения к отсутствующим данным процессор сформирует исключение (разновидность прерывания) и отдаст управление операционной системе, которая вернёт данные в память, а затем вернёт управление программе. Таким образом для программ процесс подкачки данных с дисков происходит незаметно.
Механизм защиты памяти применяется и в процессорах других производителей.
Реальный режим (или режим реальных адресов) - это название было дано прежнему способу адресации памяти
 после появления 286-го процессора
, поддерживающего защищённый режим
.
^
 
Техническое описание

 
 При таком способе организации памяти содержимое регистра
 указателя сегмента умножалось на 16, то есть сдвигалось влево на 4 бита
 и суммировалось с указателем. То есть, адреса 0400h:0000h и 0000h:4000h ссылаются на одинаковый адрес, так как 400h*16=4000h. Такой способ позволял адресовать 1 Мб + 64 Кб - 16 байт памяти, но из-за наличия в ранних процессорах только 20 адресных линий адресовался только 1 мегабайт.
Использование
 В этом режиме процессоры работали только в старых версиях DOS
. Адресовать в реальном режиме дополнительную память за пределами 1 Мб было нельзя. Впоследствии независимые программисты нашли способ обхода данного ограничения. Несмотря на то, что фирма Intel
 не предусмотрела возврат процессора 80286 из защищённого в реальный режим, был найден способ его перезагрузки. После такой перезагрузки возможность доступа к верхним блокам памяти оставалась. Впоследствии 386 процессоры
 позволили производить аналогичные действия без ухищрений и драйвер himem, выполняющий данные действия, был введён в операционную систему MS DOS
. В дальнейшем это приводило к несовместимости некоторых программ.
Затем от реального режима стали уходить с помощью программ-менеджеров защищённого режима, работающих в среде DOS, таких как: rtm, dpmi, DOS16M, DOS4G, DOS4GW. Некоторые из которых даже позволяли использование виртуальной памяти
 в среде DOS включением специальных управляющих переменных (например: DOS4GVM=ON).
Впоследствии, для полного отказа от реального режима, в защищённый режим был введён ещё один специальный режим виртуальных адресов V86. При этом программы получают возможность использовать прежний способ вычисления линейного адреса, не выходя из защищённого режима процессора. Данный режим позволил организовать работу прежней системы DOS внутри новых многозадачных систем Microsoft Windows
.
Виртуальный режим
Помимо реального и защищённого режима работы, в процессорах i80386 и i80486 предусмотрен режим виртуального процессора 8086 (виртуальный режим), в который процессор может войти из защищённого режима. Виртуальный режим позволяет эмулировать процессор i8086, находясь в защищённом режиме. Это, в частности, даёт возможность в мультизадачной операционной системе организовать одновременное выполнение нескольких программ, ориентированных на процессор i8086.
^
 
3)Архитектура двойной независимой шины
 
Архитектура
 построения процессора
, при которой данные передаются по двум шинам
 независимо друг от друга, одновременно и параллельно.
Снимает многие проблемы пропускной способности
 компьютерных платформ
, была разработана фирмой Intel
 для удовлетворения запросов прикладных программ
, а также для обеспечения возможности дальнейшего развития новых поколений процессоров.
Наличие двух независимых шин дает возможность процессору получать доступ к данным
, передающимся по любой из шин одновременно и параллельно, в отличие от последовательного механизма, характерного для систем
 с одной шиной.
Механизм работы 

Архитектура двойной независимой шины использует две шины: "шину кэш
 2-го уровня(L2)(512 KB
)" и "системную шину" - от процессора к основной памяти
. 

Архитектура двойной независимой шины, к примеру, более чем в 3 раза ускоряет работу кэш 2-го уровня процессора Pentium II
 с тактовой частотой
 400 МГц по сравнению с кэш L2 процессора Pentium
. С увеличением тактовых частот процессоров Pentium II, возрастет и скорость доступа к кэш L2. 

Конвейер
 системной шины обеспечивает одновременно множество взаимодействий,увеличивая поток информации
 в системе и существенно повышая общую производительность
. 
Использование этих возможностей архитектуры двойной независимой шины позволяет получить трехкратное увеличение пропускной способности по сравнению с процессором, имеющим одну шину.