Механов, В.Б. Особенности архитектуры универсальных микропроцессоров

Подождите немного. Документ загружается.

121

5. 32-разрядные микропроцессоры

семейства х86 (пятого

и шестого поколения)

5.1. Микропроцессоры фирмы Intel

пятого поколения (Pentium, Pentium MMX)

5.1.1. Микропроцессор Pentium

Процессор Pentium полностью программно совместим с

предыдущими микропроцессорами Intel и позволяет применять

ранее разработанное программное обеспечение для персональ-

ных компьютеров. Однако процессоры семейства Pentium обла-

дают целым рядом технических новшеств, а именно:

– близкая к суперскалярной архитектура;

– раздельные кэш-памяти для команд и данных;

– предсказание переходов;

– высокопроизводительные операции с плавающей точкой;

– усовершенствованная 64-разрядная шина данных;

– средства обеспечения целостности данных;

– SL-технология со средствами управления энергопотреб-

лением;

– поддержка многопроцессорности;

– мониторинг производительности;

– поддержка различных страниц памяти.

Структура микропроцессора показана на рис. 5.1.

Рассмотрим особенности микропроцессоров данного клас-

са подробнее.

Суперскалярная архитектура. Процессор относится

к классу суперскалярных, когда система команд не содержит

никаких указаний на параллельную обработку внутри процессо-

ра. Основная идея, определяющая развитие суперскалярных

микропроцессоров, состоит в построении возможно большего

количества параллельных структур при сохранении традицион-

122

ных последовательных программ. То есть предполагается, что

компиляторы и аппаратура микропроцессора сами, без вмеша-

тельства программиста, обеспечивают загрузку параллельно ра-

ботающих функциональных устройств микропроцессора.

Рис. 5.1. Структура микропроцессора Pentium

Суперскалярность процессоров Pentium реализуется с по-

мощью двух конвейеров, которые могут выполнять две команды

одновременно. Как и в случае единственного конвейера, двой-

ной конвейер процессора Pentium выполняет целочисленные

команды в пять этапов:

1) предвыборка;

2) дешифрирование 1;

3) дешифрирование 2;

4) выполнение;

5) запись результатов.

При этом несколько команд могут находиться на разных

этапах выполнения.

Однако два конвейера не являются независимыми. При ос-

тановке одного, останавливается и другой. Блок арифметики

123

с плавающей точкой использует блок арифметики с фиксиро-

ванной точкой. Следовательно, эти операции не могут выпол-

няться параллельно. Это ограничивает суперскалярность про-

цессора.

В процессоре Pentium многие команды микрокода, приме-

няемые в предыдущих поколениях, заменены внутренними ко-

мандами. Это часто используемые и простые команды, которые

микропроцессор может выполнять, не прибегая к микрокоду.

Для более сложных команд Pentium увеличивает производи-

тельность, применяя для выполнения команд два целочислен-

ных конвейера.

Раздельные кэш-памяти команд и данных. Кэш-память

команд ориентирована на блок предварительной выборки, а

кэш-память данных – на исполнительные блоки процессора.

Каждая кэш-память процессора Pentium имеет размер 8 Кб.

Кэш-памяти являются частично-ассоциативными. Поиск тре-

буемой информации выполняется в стандартных 32-байтовых

строках. Буфер трансляции адресов (TLB) хранит вхождения в

каталог и таблицы страниц, к которым обращались последнее

время, и преобразует адрес ячейки внешней памяти в соответст-

вующий адрес данных в кэш-памяти.

Кэш-память данных процессора Pentium использует метод

«обратной записи». Он позволяет модифицировать данные в кэ-

ше без обращения к оперативной памяти (данные записываются

в оперативную память только после удаления из кэша). В пре-

дыдущих поколениях использовался кэш со сквозной записью.

При каждой модификации в кэше данные передавались во внут-

реннюю память. Метод обратной записи повышает производи-

тельность, уменьшая нагрузку на шину интерфейса с памятью.

Кэш процессоров, начиная с Pentium, поддерживает прото-

кол MESI, названный по определяемым им состояниям Modified

(модифицированный), Exclusive (эксклюзивный), Shared (разде-

ленный), Invalid (некорректный). Состояния строк для каждого

процессора определяются следующим образом:

– М-состояние – строка присутствует в кэше только этого

процессора и модифицирована, т.е. отличается от содержимого

основной памяти. Запись в эту строку не приведет к генерации

внешнего (по отношению к локальной шине) цикла обращения;

124

– Е-состояние – строка присутствует в кэше только этого

процессора, но не модифицирована (ее копия в основной памяти

действительна). Запись переведет ее в М-состояние, не вызывая

внешнего цикла обращения;

– S-состояние – строка присутствует в кэше этого процес-

сора и потенциально может присутствовать в кэшах других про-

цессоров, копия в памяти действительна. Запись в нее должна

сопровождаться сквозной записью в основную память, что по-

влечет аннулирование соответствующих строк в других кэшах;

– I-состояние – строка отсутствует в кэше, ее чтение может

привести к генерации цикла заполнения строки. Запись в нее

будет сквозной и выйдет на внешнюю шину.

Поддержка протокола MESI позволяет обеспечить согласо-

ванность данных в кэшах процессоров и в основной памяти при

работе в мультипроцессорной системе.

Предсказание переходов. Процессор Pentium – первый х-

86 совместимый микропроцессор, использующий данное сред-

ство, которое ранее применялось в больших ЭВМ и RISC-

процессорах. Основное назначение данного механизма – повы-

шение вероятности наличия в кэш-памяти требуемой команды и,

таким образом, уменьшение потерь процессорных циклов, свя-

занных с промахами в кэш-памяти при выполнении команд

ветвления.

Процессор Pentium выполняет упреждение переходов, ис-

пользуя буфер переходов ВТВ (Branch Target Buffer) и два буфе-

ра предварительной выборки. Один буфер применяется для

предварительной выборки команды, в предположении, что пе-

рехода нет, другой выполняет предвыборку инструкций в буфер,

используя содержимое ВТВ, запомненное при первом выполне-

нии перехода. Буфер ВТВ хранит историю происходивших пе-

реходов. Каждый из 512 элементов ВТВ хранит целевой адрес

и 4 бита предыстории, которые несут информацию о том, слу-

чался ли переход за последние четыре прохода через инструкции

ветвления, ссылающиеся на данный адрес. Если на основании

анализа предыстории предсказывается переход, целевой адрес

125

посылается в блок предвыборки, не дожидаясь выполнения

ветвления.

Алгоритм упреждения переходов процессора Pentium не

только прогнозирует выбор простых ветвей, но поддерживает и

более сложное прогнозирование (например, во вложенных цик-

лах). Это делается с помощью хранения в буфере ВТВ несколь-

ких адресов переходов. ВТВ хранит до 256 результатов перехо-

дов, что позволяет выполнять правильное предсказание с веро-

ятностью не менее 0,8.

Высокопроизводительный блок операций с плавающей

точкой. В процессоре Pentium применяется блок вычислений

с плавающей точкой, использующий сложные восьмиступенча-

тые конвейеры и внутренние функции. Большинство команд

с плавающей точкой начинают выполняться в одном из цело-

численных конвейеров, а затем передаются на конвейеры с пла-

вающей точкой. Кроме того, обычные функции с плавающей

точкой (сложение, умножение, деление) для более быстрого вы-

полнения реализованы как внутренние функции.

Усовершенствованная 64-разрядная шина данных. Рас-

ширенная до 64 бит шина данных поддерживает поток команд и

данных, передаваемых суперскалярному исполнительному про-

цессорному ядру, что способствует повышению интенсивности

обработки.

Помимо расширения шины данных, для увеличения ее про-

пускной способности процессор Pentium реализует:

1) конвейеризацию циклов шины, позволяющую начать

второй цикл до завершения первого. Это предоставляет подсис-

темам памяти больше времени для декодирования адреса, бла-

годаря чему можно применять более медленные и менее дорогие

компоненты памяти, что отражается на общей стоимости систе-

мы;

2) поддержку пакетного чтения и записи, проверку четно-

сти адреса и данных;

3) поддержку двух буферов записи (по одному на каждый

конвейер), благодаря которым процессор может продолжать ра-

126

боту, выполняя следующие команды, хотя результат одной из

текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.

Средства обеспечения целостности данных. С целью по-

вышения надежности систем, создаваемых на основе Pentium,

в нем предусмотрены два средства, ранее присущие только

большим ЭВМ, внутреннее обнаружение ошибок и тестирование

с помощью функциональной избыточности.

Для внутреннего обнаружения ошибок используются биты

четности внутренних буферов процессора. Для приложений,

особо критичных к достоверности результата, может быть ис-

пользовано средство функциональной избыточности FRC (Func-

tional Redundancy Checking). FRC требует использования двух

микропроцессоров – основного и проверяющего. Микропроцес-

соры выполняют одни и те же вычисления параллельно. Один

процессор сравнивает результаты с результатами второго мик-

ропроцессора. В случае расхождения генерируется прерывание.

Управление энергопотреблением. Средства энергосбе-

режения работают на двух уровнях:

1) на уровне микропроцессора;

2) на уровне системы.

1. На уровне микропроцессора управление энергопотреб-

лением предусматривает при выполнении задач, не требующих

интенсивных вычислений (например, при редактировании тек-

стов), перевод процессора в режим с пониженной тактовой час-

тотой и пониженным потреблением питания.

2. На уровне системы возможна даже полная остановка

процессора («спящий» режим – SL). Этот механизм поддержи-

вается системой SMM, контролирующей энергопотребление во

всем компьютере, включая периферийные устройства. Этот ре-

жим обеспечивает интеллектуальное управление системой, по-

зволяющее микропроцессору замедлять функционирование,

приостанавливать или полностью прекращать работу отдельных

системных компонентов, максимизируя экономию электроэнер-

гии.

127

Поддержка мультипроцессорности. В качестве средств

поддержки мультипроцессорной работы, включенных в процес-

сор Pentium, можно выделить:

– поддержку согласованности данных между различными

процессорами через кэш-данных с использованием протокола

MESI;

– внутрикристальный контроллер многопроцессорных пре-

рываний, поддерживающий до 60 процессоров;

– двухвходовой контроллер кэш-памяти второго уровня,

позволяющий двум процессорам совместно использовать один

кэш второго уровня.

Мониторинг производительности. Мониторинг произво-

дительности – это средства процессора Pentium, позволяющие

разработчикам системы и приложений оптимизировать их про-

граммное и аппаратное обеспечение благодаря идентификации в

программном коде потенциально «узких мест». Разработчики

могут наблюдать и подсчитывать такты для внутренних процес-

сорных событий, влияющих на производительность операций

чтения и записи, успешные и неуспешные обращения к кэш-

памяти, прерывания, использование шины. Это позволяет оце-

нивать эффективность программного кода относительно архи-

тектуры Pentium и выполнять тонкую настройку разрабатывае-

мых приложений или систем для получения максимальной про-

изводительности.

Процессоры Pentium имеют 64-битный счетчик меток ре-

ального времени TSC (Time Stamp Counter). Этот счетчик ин-

крементируется с каждым тактом процессорного ядра; отсчет

начинается с нуля по аппаратному сбросу сигналом RESET. Раз-

рядность регистра обеспечивает счет без переполнения в тече-

ние нескольких тысячелетий. Счетчик продолжает счет и при

исполнении инструкции HLT, и при остановке процессора по

сигналу энергосбережения.

Кроме этого, средства мониторинга производительности

включают два 40-битных счетчика, которые независимо про-

граммируются на подсчет определенных событий или измерение

длительности состояний. Учитываться могут различные собы-

128

тия, связанные с шинными операциями, исполнением инструк-

ций, событиями во внутренних узлах, с работой конвейеров, кэ-

ша, контролем точек останова и т.п. Счетчики программно

управляемы – имеется возможность указания подсчитываемых

событий, чтения, записи, запуска и останова счетчиков, а также

действий, выполняемых при их переполнении.

Поддержка различных размеров страниц памяти. Про-

цессор Pentium поддерживает как традиционный размер страни-

цы памяти (4 Кб), так и увеличенный размер (4 Мб). Этот меха-

низм работы со страницами был введен для уменьшения часто-

ты переключения страниц в сложных графических приложениях

и ядре операционной системы. Увеличенный размер страницы

позволяет отображать большие объекты, что ранее было невоз-

можно. Кроме того, увеличенный размер страницы повышает

частоту удачного обращения, что увеличивает производитель-

ность системы.

5.1.2. Микропроцессор Pentium ММХ

Микропроцессор Pentium ММХ является воплощением

в «железе» концепции естественной обработки сигналов, выдви-

нутой фирмой Intel еще в 1995 г. Согласно этой концепции на

микропроцессор возлагается ряд задач, ранее выполняемых от-

дельными специализированными устройствами. К таким зада-

чам относятся:

– синтез звука и музыки;

– распознавание речи;

– обработка видео- и графической информации;

– выполнение коммуникационных функций и др.

Решение этих задач достигается за счет расширения систе-

мы команд и ряда архитектурных особенностей. Так, система

команд процессора Pentium ММХ дополнена 57 командами,

ориентированными на эффективное выполнение типичных

мультимедийных алгоритмов, к числу которых относятся и мно-

гие алгоритмы, характерные для цифровой обработки сигналов

(операции над векторами, свертка, преобразование Фурье и т.п.).

С точки зрения архитектурных особенностей процессоры

Pentium ММХ обеспечивают:

129

1) поддержку выполнения мультимедийного набора

команд;

2) удвоенные объемы кэш-памятей данных и команд (по

16 Кб каждый);

3) улучшенную логику предсказания переходов;

4) расширенную конвейеризацию.

1. Арифметические или логические операции выполняются

параллельно над каждым байтом слова или двойного слова, со-

держащегося в 64-разрядном ММХ-регистре. Такая обработка

существенно ускоряет выполнение мультимедийных алгорит-

мов, для которых характерно выполнение идентичных операций

над большими массивами однотипных данных (например, 16-

битовые отсчеты оцифрованного звука, 8-битовые коды цвета

пикселя

и т.п.). Выполнение умножения с накоплением четырех 16-раз-

рядных слов на другие четыре слова с использованием трех

ММХ-команд требует в 4 раза меньше команд по сравнению

с процессором Pentium (12 команд).

Применение ММХ-команд позволяет увеличить скорость

выполнения мультимедийных приложений на 60 % по сравне-

нию с обыкновенным процессором Pentium при одинаковых так-

товых частотах.

2. Каждый кэш имеет объем по 16 Кб и содержит два порта

– по одному для каждого исполнительного конвейера.

3. В Pentium ММХ улучшена система предсказания пере-

ходов. В обыкновенном процессоре Pentium используются два

буфера (по 32 байта) предварительной выборки – один для ли-

нейной выборки команд, а другой – для выборки в соответствии

с содержанием буфера переходов (ВТВ). В Pentium ММХ коли-

чество буферов предварительной выборки команд увеличено до

четырех (по 16 байт), что позволяет осуществлять предвыборку

по четырем независимым направлениям. Также повышена точ-

ность предсказания переходов.

4. Увеличена до шести этапов длина исполнительного кон-

вейера за счет добавления стадии выборки между стадиями

предвыборки и дешифрирования команды. На стадии выборки

130

выполняется декодирование длины команды, которое ранее вы-

полнялось на стадии дешифрирования 1. Увеличение длины

конвейера позволило сократить в среднем длительность выпол-

нения команд и увеличить производительность процессора.

Конвейер Pentium ММХ выглядит следующим образом

(рис. 5.2).

Расширенная конвейеризация существенно (примерно 15–

20 %) повышает производительность процессоров и на немуль-

тимедийных приложениях.

Вместе с тем в Pentium ММХ отсутствуют имевшиеся ра-

нее возможности:

– функционального контроля по избыточности;

– поддержки набора микросхем управления кэшированием;

– разделяемой линии обращения к кэш-памяти команд.

Стадия

выполнения

Такт 0

Такт 1

Такт 2

Такт 3

Такт 4

Такт 5

Такт 6

Такт 7

Такт 8

Предвыборка Ком. 1

Ком. Ком. 5

Ком. 7

Ком. 2

Ком. Ком. 6

Ком. 8

Выборка Ком. Ком. 3

Ком. 5

Ком.

Ком. Ком. 4

Ком. 6

Ком.

Ком. 1

Ком. 3

Ком.

Ком. 7

Дешифрирование 1

Ком. 2

Ком. 4

Ком.

Ком. 8

Дешифрирование 2

Ком. 1

Ком. Ком. 5

Ком. 7

Ком. 2

Ком.

Ком. 6

Ком. 8

Выполнение Ком. Ком. 3

Ком. 5

Ком. 7

Ком. Ком. 4

Ком. 6

Ком. 8

Запись результата Ком. 1

Ком. 3

Ком. 5

Ком. 7

Ком. 2

Ком. 4

Ком. 6

Ком. 8

такт 0, такт 1... – последовательность процессорных тактов

ком. 1, ком. 2... – последовательность выполняемых команд

Рис. 5.2. Конвейер Pentium ММХ

Структурная схема процессора Pentium ММХ практически

повторяет схему процессора Pentium с той разницей, что перед

исполнительным устройством с плавающей точкой дополни-

тельно включено устройство, реализующее команды ММХ. Для

переключения из режима ММХ в режим вычислений с плаваю-

щей точкой процессору требуется 50 тактов.