P E N T I U M P r o c e s s o r (PENTIUM Processor. Технический обзор), страница 2

│ │ │░░░││░░░│ ┌──┤ │ │ Суперскалярная │

│ │ └─┬─┘└─┬─┘ │ │ │ │ архитектура │

│ │ ┌─┴────┴─┐ │ ├────────┤ │ │

│ │ │░░░░░░░░│ │ │ │ │ │

│ │ └─┬────┬─┘ │ ├────────┤ │ │

│ │ ├────┼─────┘ │ │ │ │

│ │ ┌─┴────┴─┐ ├────────┤ │ │

│ └─┤ │ │ │ │ │

│ └────────┘ └────────┘ │ │

└─────────────────────────────────────┴──────────────────────┘

Суперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с INTEL двухконвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более чем одной команды за один период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы INTEL. Например, процессор Intel486 способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы INTEL требовали множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

Возможность выполнять множество команд за один период тактовой частоты существует благодаря тому, что Pentium процессор имеет два конвейера, которые могут выполнять две инструкции одновременно. Так же, как и Intel486 с одним конвейером, двойной конвейер Pentium процессора выполняет простую команду за пять этапов: предварительная подготовка, первое декодирование (декодирование команды), второе декодирование (генерация адреса), выполнение и обратная выгрузка. Это позволяет нескольким командам находиться в различных стадиях выполнения, увеличивая тем самым вычислительную производительность. Каждый конвейер имеет свое арифметическо-логическое устройство (ALU), совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэширования данных. А транзисторы мы поставим деревяненькие. Так же как и процессор Intel486, Pentium процессор использует аппаратное выполнение команд, заменяющее множество микрокоманд, используемых в предыдущих семействах микропроцессоров. Эти инструкции включают загрузки, запоминания и простые операции АЛУ, которые могут выполняться аппаратными средствами процессора, без использования микрокода. Это повышает производительность без затрагивания совместимости. В случае выполнения более сложных команд, для дополнительного ускорения производительности выполнения расширенного микрокода Pentium процессора для выполнения команд используются оба конвейера суперскалярной архитектуры.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд может быть выполнено за одно и то же время.

Раздельное кэширование программного кода и данных.

┌─────────────────────────────────────┬──────────────────────┐

│ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌─┤░░░░░░░░├──────┤ │ │ │

│ │ └───┬────┘ └────┬───┘ │ │

│ │ │ ┌─────────────┘ │ │

│ │ ┌───┴──┴─┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌───┐ │ │ ├──────┤ │ │ │

│ ┤ ├─┤ └─┬────┬─┘ │ │ │ Кэширование комад │

│ └───┘ │ ┌─┴─┐┌─┴─┐ │ │ │ │

│ │ │ ││ │ ┌──┤ │ │ │

│ │ └─┬─┘└─┬─┘ │ │ │ │ Кэширование данных │

│ │ ┌─┴────┴─┐ │ ├────────┤ │ │

│ │ │ │ │ │ │ │ │

│ │ └─┬────┬─┘ │ ├────────┤ │ │

│ │ ├────┼─────┘ │ │ │ │

│ │ ┌─┴────┴─┐ ├────────┤ │ │

│ └─┤░░░░░░░░│ │ │ │ │

│ └────────┘ └────────┘ │ │

└─────────────────────────────────────┴──────────────────────┘

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования программного кода и данных.

Проектировщики фирмы INTEL обошли это ограничение использованием дополнительного контура, выполненного на 3.1 миллионах транзисторов Pentium процессора (для сравнения, Intel486 содержит 1.2 миллиона транзисторов) создающих раздельное внутреннее кэширование программного кода и данных. Это улучшает производительность посредством исключения конфликтов на шине и делает двойное кэширование доступным чаще, чем это было возможно ранее. Например, во время фазы предварительной подготовки, используется код команды, полученный из КЭШа команд. В случае наличия одного блока кэш-памяти, возможен конфликт между процессом предварительной подготовки команды и доступом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и данных исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно. Кэш-память программного кода и данных Pentium процессора содержит по 8 KB информации каждая, и каждая организована как набор двухканального ассоциативного КЭШа - предназначенная для записи только предварительно просмотренного специфицированного 32-байтного сегмента, причем быстрее, чем внешний кэш. Все эти особенности расширения производительности потребовали использования 64-битовой внутренней шины данных, которая обеспечивает возможность двойного кэширования и суперскалярной конвейерной обработки одновременно с загрузкой следующих данных. Кэш данных имеет два интерфейса по одному для каждого из конвейеров, что позволяет ему обеспечивать данными две отдельные инструкции в течение одного машинного цикла. После того, как данные достаются из КЭШа, они записываются в главную память в режиме обратной записи. Такая техника кэширования дает лучшую производительность, чем простое кэширование с непосредственной записью, при котором процессор записывает данные одновременно в кэш и основную память. Тем не менее, Pentium процессор способен динамически конфигурироваться для поддержки кэширования с непосредственной записью.

Таким образом, кэширование данных использует два различных великолепных решения: кэш с обратной записью и алгоритм, названный MESI (модификация, исключение, распределение, освобождение) протокол. Кэш с обратной записью позволяет записывать в кэш без обращения к основной памяти в отличие от используемого до этого непосредственного простого кэширования. Эти решения увеличивают производительность посредством использования преобразованной шины и предупредительного исключения самого узкого места в системе. В свою очередь MESI-протокол позволяет данным в кэш-памяти и внешней памяти совпадать - великолепное решение в усовершенствованных мультипроцессорных системах, где различные процессоры могут использовать для работы одни и те же данные.

Рекомендуемый объем общей кэш-памяти для настольных систем, основанных на Pentium процессоре, равен 128-256 K, а для серверов - 256 K и выше.

Блок предсказания правильного адреса перехода.

┌─────────────────────────────────────┬──────────────────────┐

│ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌─┤ ├──────┤░░░░░░░░│ │ │

│ │ └───┬────┘ └────┬───┘ │ │

│ │ │ ┌─────────────┘ │ │

│ │ ┌───┴──┴─┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌───┐ │ │ ├──────┤ │ │ │

│ ┤ ├─┤ └─┬────┬─┘ │ │ │ предсказание │

│ └───┘ │ ┌─┴─┐┌─┴─┐ │ │ │ првавильного │

│ │ │ ││ │ ┌──┤ │ │ Адреса │

│ │ └─┬─┘└─┬─┘ │ │ │ │ перехода │

│ │ ┌─┴────┴─┐ │ ├────────┤ │ │

│ │ │ │ │ │ │ │ │

│ │ └─┬────┬─┘ │ ├────────┤ │ │

│ │ ├────┼─────┘ │ │ │ │

│ │ ┌─┴────┴─┐ ├────────┤ │ │

│ └─┤ │ │ │ │ │

│ └────────┘ └────────┘ │ │

└─────────────────────────────────────┴──────────────────────┘

Блок предсказания правильного адреса перехода - это следующее великолепное решение для вычислений, увеличивающее производительность посредством полного заполнения конвейеров командами, основанное на предварительном определении правильного набора команд, которые должны быть выполнены. Pentium процессор - это первый и единственный PC-совместимый процессор, использующий блок предсказания, который до этого традиционно был связан с вычислительными платформами больших ЭВМ.

Для лучшего понимания этой концепции, рассмотрим типичное программное приложение. После выполнения каждого программного цикла, программа выполняет соответствующую проверку для определения, необходимо ли возвратиться в начало цикла или выйти и продолжить выполнение следующего шага. Эти два решения, или пути, называют предсказанием адреса перехода. Блок предсказания правильного адреса перехода прогнозирует, какая ветвь программы будет затребована, основываясь на допущении, что предыдущая ветвь, которая была пройдена, будет использоваться снова. Pentium процессор выполняет предсказание правильного адреса перехода, используя специальный буфер предсказания перехода (BTB). В отличие от альтернативной архитектуры, это программно-шаблонное нововведение дает возможность для перекомпилирования программного кода, увеличивая при этом скорость и производительность существующего прикладного программного обеспечения. Если команда управляет ветвлением программы, буфер BTB запоминает команду и адрес, на который необходимо перейти, и предсказывает, какая ветвь команд в следующий момент будет использоваться. Когда буфер содержит правильное предсказание, переход выполняется без задержки.

Высокопроизводительный блок вычислений с плавающей запятой.

┌─────────────────────────────────────┬──────────────────────┐

│ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌─┤ ├──────┤ │ │ блок конвеерных │

│ │ └───┬────┘ └────┬───┘ │ вычислений с │

│ │ │ ┌─────────────┘ │ плавающей запятой │

│ │ ┌───┴──┴─┐ ┌────────┐ │ │

│ ┌───┐ │ │ ├──────┤░░░░░░░░│ │ │

│ ┤ ├─┤ └─┬────┬─┘ │░░░░░░░░│ │ │

│ └───┘ │ ┌─┴─┐┌─┴─┐ │░░░░░░░░│ │ │

│ │ │ ││ │ ┌──┤░░░░░░░░│ │ │

│ │ └─┬─┘└─┬─┘ │ │░░░░░░░░│ │ │

│ │ ┌─┴────┴─┐ │ ├────────┤ │ │

│ │ │ │ │ │░░░░░░░░│ │ Умножитель │

│ │ └─┬────┬─┘ │ ├────────┤ │ │

│ │ ├────┼─────┘ │░░░░░░░░│ │ сумматор │

│ │ ┌─┴────┴─┐ ├────────┤ │ │

│ └─┤ │ │░░░░░░░░│ │ делитель │

│ └────────┘ └────────┘ │ │

└─────────────────────────────────────┴──────────────────────┘

Нарастающая волна 32-разрядных программных приложений включает много интенсивно вычисляющих, графически ориентиро-программ, которые занимают много процессорных ресурсов на выполнение операций с плавающей запятой, обеспечивающих математические вычисления. Поскольку требования к персональным компьютерам со стороны программного обеспечения по вычислениям с плавающей запятой постоянно возрастают, удовлетворить эти потребности могут усовершенствования в микропроцессорной технологии. Процессор Intel486 DX, например, был первым микропроцессором, интегрированным на одной подложке с математическим сопроцессором. Предыдущие семейства процессоров фирмы INTEL, при необходимости использования вычислений с плавающей запятой, использовали внешний математический сопроцессор.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных видеоприложений, как CAD и 3D-графика.

Pentium процессор на тактовой частоте 66 МГц работает как "числодробилка" с рейтингом 64.5 по тесту SPECint92, практически не уступая RISC-процессору Alpha компании Digital, но с тактовой частотой вдвое более высокой.