Основные принципы работы современных процессоров

История 32-разрядных процессоров Intel началась с процессора Intel386. Он воб­рал в себя все черты своих 16-разрядных предше­ственников 8086/88 и 80286 для обеспечения совместимости с громадным объемом программного обеспечения, существовавшего на мо­мент его появления. Однако в процессорах 80386 преодолено жесткое ограниче­ние на длину непрерывного сегмента памяти – 64 Кбайт.

Про­цессор может работать в одном из двух режимов: режим реальной адресации (Real Address Mode), в котором возможна адресация до 1 Мбайт физической памяти, и защищенный режим виртуальной адресации (Protected Virtual Address Mode), в котором процессор позво­ляет адресовать до 4 Гбайт физической памяти и до 64 Тбайт виртуальной памяти каждой задачи.

Эти процессоры имеют встро­енный блок управления памятью, который поддерживает механизмы сегментации и стра­ничной трансляции адресов (Paging). Процессоры обеспечивают четырех­уровне­вую систему защиты пространств памяти и ввода/вывода, а также переключение задач. Система команд расширена при сохранении всех команд 8086, 80286. Подробнее режимы процессора и механизм страничной организации памяти будут рассмотрены далее.

В архитектуру процессоров введены средства отладки и тести­рования.

В микроархитектуре процессоров пятого и шестого поколений – Pentium, Pen­tium Pro, Pentium MMX, Pentium II и Pentium III – существенное значение имеет реализация различных способов конвейеризации и распараллеливания вычисли­тельных процессов, а также других технологий, не свойственных процессорам прежних поколений.

Конвейеризация (pipelining) предполагает разбивку выполнения каждой инструк­ции на несколько этапов, причем каждый этап выполняется на своей ступени кон­вейера процессора. При выполнении инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения последующих ступеней. Таким образом, на конвейере одно­временно может обрабатываться несколько последовательных инструкций, и производительность процессора можно оценивать темпом выхода выполненных инструкций со всех его конвейеров. Для достижения максимальной производи­тельности процессора – обеспечения полной загрузки конвейеров с минимальным числом лишних штрафных циклов (penalty cycles) – программа должна состав­ляться с учетом архитектурных особенностей процессора. Конечно, и код, сгене­рированный обычным способом, будет исполняться на процессорах классов Pen­tium и Р6 достаточно быстро. Конвейер «классического» процессора Pentium имеет пять ступеней. Конвейеры процессоров с суперконвейерной архи­тектурой (superpipelined) имеют большее число ступеней, что позволяет упростить каждую из них и, следовательно, сократить время пребывания в них инструкций.

Скалярным называют процессор с единственным конвейером, к этому типу отно­сятся все процессоры Intel до 486 включительно. Суперскалярный (superscalar) процессор имеет более одного (Pentium – два) конвейера, способных обрабаты­вать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым.

Переименование регистров (register renaming) позволяет обойти архитектурное ограничение на возможность параллельного исполнения инструкций (доступно всего восемь общих регистров). Процессоры с переименованием регистров фак­тически имеют более восьми общих регистров, и при записи промежуточных ре­зультатов устанавливается соответствие логических имен и физических регист­ров. Таким образом, одновременно могут исполняться несколько инструкций, ссылающихся на одно и то же логическое имя регистра, если, конечно, между ними нет фактических зависимостей по данным.

Продвижение данных (data forwarding) подразумевает начало исполнения инст­рукции до готовности всех операндов. При этом выполняются все возможные действия, и декодированная инструкция с одним операндом помещается в испол­нительное устройство, где дожидается готовности второго операнда, выходящего с другого конвейера.

Предсказание переходов (branch prediction) позволяет продолжать выборку и деко­дирование потока инструкций после выборки инструкции ветвления (условного перехода), не дожидаясь проверки самого условия. В процессорах прежних поко­лений инструкция перехода приостанавливала конвейер (выборку инструкций) до исполнения собственно перехода, на чем, естественно, терялась производи­тельность. Предсказание переходов направляет поток выборки и декодирования по одной из ветвей. Статический метод предсказания работает по схеме, заложен­ной в процессор, считая, что переходы по одним условиям, вероятнее всего, про­изойдут, а по другим – нет. Динамическое предсказание опирается на предысто­рию вычислительного процесса – для каждого конкретного случая перехода накапливается статистика поведения, и переход предсказывается, основываясь именно на ней.

Исполнение по предположению, называемое также спекулятивным (speculative execution), идет дальше – предсказанные после перехода инструкции не только декодируются, но и по возможности исполняются до проверки условия перехода. Если предсказание сбывается, то труд оказывается ненапрасным, если не сбыва­ется – конвейер оказывается недогруженным и простаивает несколько тактов.

Исполнение с изменением последовательности инструкций (out-of-order execution), свойственное RISC-архитектуре, теперь реализуется и для процессоров х86. При этом изменяется порядок внутренних манипуляций данными, а внешние (шин­ные) операции ввода/вывода и записи в память выполняются, конечно же, в по­рядке, предписанном програм­мным кодом. Однако эта способность процессора в наибольшей степени может блокироваться несовершенством программного кода (особенно 16-битных приложений), если он генерируется без учета возможности изменения порядка.

Технология Intel MMX улучшает компрессию/декомпрессию видео, работу с изображениями, шифрование и обработку сигналов ввода/вывода – т.е. все мультимедиа-операции, операции связи и сетевые взаимодействия. Основа MMX расширения процессорного ядра заключается в технологии обработки множественных данных в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data - SIMD). Сегодняшние мультимедийные и коммуникационные приложения часто используют повторные циклы, выполнение которых, при использовании в менее чем 10% программных кодов, отнимает до 90% процессорного времени. Процесс SIMD (один поток команд и множество потоков данных) дает возможность одной инструкции исполнять одну и ту же функцию с различными данными и их частями. SIMD позволяет чипу уменьшить количество циклов с интенсивными вычислениями, характерными для обработки видео, аудио, графической информации и анимации.

Технологии MMX и SIMD требуют добавления все новых и новых инструкций (уже сейчас их 57 для MMX и 70 – для SIMD в Pentium III), обеспечивающих оптимальное выполнение алгоритмических задач. А при добавлении новых инструкций необходима переработка компи­ляторов всех языков программирования для введения и поддержки соответствующих инструкций и технологий. Конкуренты Intel предлагают альтернативные решения, при которых требуется минимальное число новых инструкций или вообще не требуется переработка компиляторов, а повышение производительности процессоров и скорости выполнения программ и вычислений достигается за счет внутренней оптимизации процессорного ядра. Так, технология 3D Now (AMD) позволяет производить две операции с плавающей точкой вместо одной у Pentium, а число новых инструкций около 30 при относительно равной стоимости. Дальнейшее увеличение числа инструкций при каждом введении новых технологий обработки данных может привести Intel к тому, что микропроцессоры станут очень «тяжелыми» и перегруженными объемом поддерживаемых инструкций, а компилирующие системы для них (например от Microsoft) – еще тяжелее и неповоротливее, чем в настоящее время, а все нарастающая тактовая частота и произво­дительность процессора будет «съедаться» непомерно большими программными продуктами, так что эффективность нововведений может оказаться невысокой.

Особенности процессора Intel Pentium 4

Intel Pentium 4 – это первый процессор в семействе 32-битных процессоров седьмого поколения от Intel.

Несмотря на то что Intel Pentium 4 является процессором с архитектурой IA-32, характерной для 32-разрядных процессоров, последняя сильно отличается от архитектуры процессоров семейства P6 и даже получила специальное название – NetBurst.

Рассмотрим основные новшества, появившиеся в NetBurst.

Hyper-Pipelined Technology. Суть технологии Hyper-Pipelined (гиперконвейер) заключается в том, что Intel Pentium 4 имеет очень длинный конвейер, состоящий из 20 стадий. Для сравнения: конвейер у процессоров семейства P6 состоит всего из 10 стадий.

Преимущества от использования такого новшества далеко не очевидны. С одной стороны, более длинный конвейер позволяет упростить логику работы каждой отдельной стадии, а значит, более просто реализовать ее аппаратно, что приводит к уменьшению времени выполнения каждой отдельно взятой стадии. А это, в конечном счете, приводит к тому, что тактовая частота процессора может быть значительно увеличена.

С другой стороны, при обнаружении неправильно предсказанного перехода весь конвейер останавливается вместе с одновременным сбросом его содержимого. Поэтому при увеличении длины конвейера для обеспечения роста производительности нужно повышать эффективность алгоритмов предсказания переходов.

В Intel Pentium 4 интегрирован более совершенный механизм предсказания переходов. Количество ошибочно предсказанных переходов у него в среднем на 33% меньше, чем у процессоров с архитектурой P6.

Execution Trace Cache. Execution Trace Cache – это название и одновременно способ реализации кэша инструкций в архитектуре NetBurst. Смысловое содержание этого термина можно перевести как «кэш трассировки выполняемых микроопераций».

В Execution Trace Cache хранятся микрооперации, которые были получены в результате декодирования входного потока инструкций исполняемого кода и готовы для передачи на выполнение конвейеру. Емкость Execution Trace Cache составляет 12 Кбайт.

Execution Trace Cache устроен таким образом, что вместе с кодом каждой микрооперации в нем хранятся результаты выполнения ветвей кода для этой микрооперации – в той же строке кэша (cache line), что и сама микрооперация. Это позволяет легко и своевременно выявлять микрооперации, которые никогда не будут выполнены, и быстро удалять их из кэша инструкций, а также оперативно «вычищать» Execution Trace Cache от «лишних» микроопераций в случае обнаружения ошибочно предсказанного перехода. Последнее обстоятельство особенно важно, так как позволяет сократить общее время реинициализации конвейера после его остановки в результате выполнения перехода, который был «угадан» неправильно.

Rapid Execution Engine. Так, в архитектуре NetBurst назван блок выполнения арифметико-логических операций. Конструктив Rapid Execution Engine довольно оригинален: во-первых, он состоит из двух АЛУ-модулей, работающих параллельно; во-вторых, рабочая тактовая частота этих АЛУ-модулей в два раза выше тактовой частоты процессора – это достигается за счет регистрации как переднего, так и заднего фронта задающего тактового сигнала. Таким образом, каждый АЛУ-модуль способен выполнить до двух целочисленных операций за один рабочий такт процессора, а весь Rapid Execution Engine в целом – до четырех таких операций.

Advanced Dynamic Execution. Advanced Dynamic Execution – это обобщенное название механизма динамического выполнения команд, используемого в NetBurst. Аналогичный механизм используется в процессорах семейства P6, однако, в Intel Pentium 4 он улучшен.

Динамическое исполнение представляет собой комбинацию трех технологий обработки данных, обеспечивающих более эффективную работу процессора – множественное предсказание ветвлений,анализ потока данныхи спекулятивное исполнение. Динамическое исполнение обеспечивает более эффективную работу процессора, позволяя манипулировать данными, а не просто исполнять последовательный список инструкций.

Технология множественного предсказания ветвленийпредсказывает прохождение программы по нескольким ветвям, процессор может предвидеть разделение потока инструкций, что дает возможность с 90%-ной точностью предсказать, в какой области памяти можно найти следующие инструкции. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данныхпозволяет проанализировать код и составить график, т.е. новую оптимальную последовательность исполнения инструкций, независимо от порядка их следования в тексте программы. Спекулятивное выполнение повышает скорость выполнения за счет выполнения до 5 инструкций одновременно по мере их поступления в оптимизированной последовательности – т.е. спекулятивно. Это обеспечивает максимальную загруженность процессора и увеличивает скорость исполнения программы. Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «спекулятивные» – промежуточные с возможным отвержением из-за нарушения последовательности инструкций – промахов в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального.

Регистры процессора

Регистр – разновидность ОЗУ, встроенного в микропроцессор.

Рассмотрим состав и назначение регистров на примере микро­процессоров фирмы Intel.

Процессоры х86 имеют регистры, подразделяющиеся на следующие категории:

 регистры общего назначения (общие регистры данных и адресов);

 указатель команд (инструкций);

 регистры сегментов;

 регистр флагов;

 управляющие регистры;

 системные адресные регистры;

 регистры отладки;

 регистры тестирования;

 модельно-специфические (зависящие от конкретной модели процессора) регистры.

На рис. 2 изображены основные регистры 32-разрядных процессоров. Они будут подробно рассмотрены ниже.

Рис. 2. Основные регистры 32-разрядных процессоров