Архитектура процессора
ля данных, доставляемых из медленной основной памяти.
Буфер Ветвлений (BTB) обеспечивает динамическое предсказание ветвлений. Он
улучшает выполнение инструкций запоминанием способа ветвления и применением
той же ветви при следующем выполнении инструкции. Когда BTB делает
правильное предсказание, производительность увеличивается. 80-точечный
Модуль Плавающей Точки обеспечивает арифметическое средство для обращения с
"вещественными" числами.
Обзор процессоров
Pentium Pro
Интеловский Pentium Pro, выпущенный в конце 1995 года с ядром CPU,
состоящим из 5.5 миллионов транзисторов, плюс 15.5 миллионов транзисторов
во вторичном кэше, изначально предназначался для рынка серверов и high-end
рабочих станций. Этот суперскалярный процессор включает особенности
процессоров высшей категории и оптимизирован под 32-битные операции.
Pentium Pro отличается от Pentium'а наличием встроенного вторичного кэша
размером от 256kb до 1mb, работающего на внутренней частоте. Помещение
вторичного кэша на чипе, а не на системной плате, позволяет передавать
данные по 64-битному каналу, а не по 32-битной системной шине у Pentium.
Такая физическая близость также добавляет к росту производительности. Эта
комбинация настолько мощна, что 256kb встроенного кэша эквивалентны 2mb на
системной плате.
Даже большим фактором в производительности Pentium Pro является
комбинация технологий, известных как "динамическое выполнение". Оно
включает предсказание ветвлений, анализ потока данных и спекулятивное
выполнение. Их комбинирование позволяет позволяет процессору использовать
пропадающие иначе циклы тиков, производя предсказания программного потока
выполнения инструкций вперед.
Pentium Pro был также первым процессором в семействе x86 с применением
сверх поточности (superpipelining), этот поток включает 14 стадий,
делящихся на три секции. Очередная подготовительная секция, обрабатывающая
декодирование и вывод инструкции, состоит из восьми стадий. Внеочередное
ядро, выполняющее инструкцию, имеет три стадии и очередное завершение
состоит из трех финальных стадий.
Другим, более важным отличием Pentium Pro является его обращение с
инструкциями. Он получает CISC (Complex Instruction Set Computer) x86
инструкции, и преобразовывает их во внутренний RISC (Reduced Instruction
Set Computer) микрокод. Преобразование спроектировано так, чтобы избежать
некоторые ограничения, унаследованные от набора инструкций x86, таких как
нерегулярное декодирование инструкций и арифметические операции регистр-в-
память. Микрокод затем пересылается во внеочередной исполнитель инструкций,
который определяет, готова ли инструкция к выполнению, и, если нет,
передвигает код по кругу, чтобы предотвратить застопорение потока.
У миграции в сторону RISC есть свои минусы. Во-первых, преобразование
инструкций занимает время, пусть оно даже меряется в нано- или
микросекундах. В результате Pentium Pro неизбежно тратит производительную
мощь на обработку инструкций. Второй минус в том, что внеочередной дизайн
может частично влиять на 16-битный код, приводя к застопориванием. Это
может быть причиной частичного обновления регистра, происходящего до
полного чтения регистра, и налагать строгие производственные издержки до
семи циклов тика.
Pentium Pro был первым микропроцессором, не использующим почтенный Socket
7, требуя большего 242-контактного интерфейса Socket 8 и ново годизайна
системных плат.
MultiMedia eXtensions
Процессор Intel’s P55C MMX с мультимедиа расширением выпускается с начала
1997 года. Он представил наиболее значительное изменение базисной
архитектуры процессоров PC за последние десять лет и обеспечивал три
главных улучшения:
встроенный кэш первого уровня стандартного Pentium удваивался до 32kb
добавлено 57 новых инструкций, предназначенных специально для более
эффективного манипулирования видео, аудио и графическими данными
был развит новый процесс, названный SIMD (Single Instruction Multiple Data
- Одна Инструкция Много Данных) и позволяющий выполнять одинаковую
инструкцию ко многим экземплярам данных одновременно.
Больший первичный кэш значит, что процессор имеет под рукой больше
данных, уменьшая нужду в получении данных из кэша второго уровня, что
положительно отражается на всех программах. Новые инструкции, применяемые в
совокупности с SIMD и восемью расширенными (64-битными) регистрами,
значительно используют параллелизм, когда восемь байт данных можно
обработать за один цикл, а не по одному за цикл. Получается специальное
преимущество для мультимедиа- и графических приложений, таких как аудио и
видео де/кодирование, масштабирование образов и интерполяция. Вместо
перемещения восьми пикселей графических данных процессором по одному за
раз, эти восемь пикселей могут быть передвинуты как один 64-битный пакет, и
обработаны за один цикл.
По утверждениям Intel, эти усовершенствования дают 10-20% увеличение
скорости для не-MMX приложений, и более 60% ускорения для MMX приложений.
Tillamook
Заметное отсутствие MMX версии для ноутбуков Intel исправил в конце 1997
года объявлением мобильных версий процессора с кодовым названием Tillamook,
по имени небольшого города в Opегоне. Новые процессоры с частотой 200 и
233MHz и технологией MMX на некоторое время выдвинули ноутбуки на уровень
настольных систем. 226MHz версия была выпущена позже в 1998 году.
Tillamook - это первый процессор, построенный на развитом Intel Mobile
Module для ноутбуков (MMO). Модуль держит процессор, 512kb вторичного кэша,
регулятор напряжения для питания процессора от высшего внешнего напряжения,
часы, и новый "северный мост" 430TX PCI. Соединяется с системной платой
рядом из 280 разъемов, подобно SEC картриджу Pentium II.
Наибольшим отличием в самом чипе было применение 0.25-микронной
технологии по сравнению с применявшейся раннее Intel в мобильных чипах
0.28. Меньший микрон фактор оказал влияние на частоту и напряжение:
транзисторы в процессоре (с электрическими нулями и единицами) ближе
примыкались, и скорость автоматически увеличивалась. Так как транзисторы
сближались, напряжение уменьшалось, чтобы избежать разрушений от сильных
электрических полей. Предыдущие версии мобильных интеловских процессоров
питались от 2.45v на ядре, а у Tillamook оно было опушено до 1.8v.
Регулятор напряжения требовался для защиты чипа от шин PCI и памяти,
которые работали на 3.3v. От уменьшения напряжения на процессоре
значительно экономилась энергия.
Pentium II
Выпущенный с середины 1997 года, Pentium II ввел ряд больших изменений в
мир процессоров PC.
Во-первых, чип и системный кэш второго уровня соединялись по выделенной
шине, способной работать на частоте шины процессор-система.
Во вторых, процессор, вторичный кэш и тепло отвод были смонтированы на
небольшой плате, вставлявшейся в разъем на системной плате, что больше
напоминало карту расширения, чем традиционную схему процессор/гнездо. Intel
окрестил это Single Edge Contact cartridge (SEC) - односторонне контактный
картридж. В этом картридже находятся шесть отдельных компонент - процессор,
четыре индустриально стандартных burst-static-cache RAM и один tag RAM.
Дизайн SEC картриджа наделял важными преимуществами. PGA-компоновка Pentium
Pro требовала 387 контактов, в то время как SEC-картридж - только 242.
Уменьшение на треть числа контактов произошло благодаря наличию в картридже
дискретных элементов, таких как замыкающие резисторы и конденсаторы. Эти
элементы обеспечивают расщепление сигналов, что значит намного меньшее
число требуемых разъемов питания. Разъем SEC-картриджа использует так
называемый Slot 1 и воспринимается как принимающий эстафету у уходящего
Socket 7.
Третье изменение - в большем синтезе, так как Pentium II объединяет Dual
Independent Bus (DIB) от Pentium Pro c технологией MMX от Pentium MMX,
формируя новый вид - гибрид Pentium Pro/MMX. Таким образом, внешне очень
отличный от предыдущих интеловских процессоров, Pentium II внутренне являет
собой смесь новых технологий и улучшений старых чипов.
И наконец, в отличие от Pentium Pro, работающего на 3.3v, Pentium II
питается от 2.8v, позволяя Intel пускать его на больших частотах без
чрезмерного увеличения требование к мощности. В то время, как 200MHz
Pentium Pro с 512kb кэша потребляет 37.9 ватт, 266MHz Pentium II с 512kb
кэша сжигает 37.0 ватт.
Подобно Pentium Pro, Pentium II применяет интеловскую Технологию
Динамического Исполнения. Когда программная инструкция считывается в
процессор и декодируется, она попадает в исполняемый пул. Технология
Динамического Исполнения принимает три основных подхода к оптимизации
способа обращения процессора с кодом. Множественные Предсказания Ветвлений
проверяют программный поток вдоль нескольких ветвей и предсказывают, где в
памяти находится следующая инструкция.
Когда процессор читает, он также проверяет следующие инструкции в потоке,
ускоряя в результате рабочее течение. Анализ Потока Данных оптимизирует
последовательность, в которой инструкции будут выполняться, проверяя
декодированные инструкции и определяя, готовы ли они для обработки или
зависят от других инструкций. Спекулятивное Выполнение увеличивает скорость
таких инструкций просмотром вперед от текущей инструкции и обработкой
дальнейших инструкций, которые вероятно могут понадобится. Эти результаты
хранятся как спекулятивные до тех пор, пока процессор не определит, какие
ему нужны, а какие - нет. С этой точки инструкция возвращается в нормальную
очередь и добавляется к потоку.
У Технологии Динамического Исполнения есть два основных преимущества:
Инструкции обрабатываются быстрее и эффективнее, чем обычно, и, в отличие
от CPU с применением RISC архитектуры, программы не надо перекомпилировать
для извлечения выгод процессора. Процессор все делает на лету.
Значительной новой особенностью является удаление вторичного кэша из
собственно процессора на отдельную кремниевую пластину в кар
| |  скачать работу |
Архитектура процессора |
