Главная/

Радиоэлектроника, компьютеры и периферийные устройства. /

Микропроцессоры для пользователей

основные процессы обработки данных и ко-

манд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора

представляет собой естественное развитие предыдущего семейства про-

цессоров 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 од-

ной команды.

Возможность выполнять множество команд за один период такто-

вой 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: предвари-

тельная подготовка, первое декодирование ( декодирование команды ),

второе декодирование ( генерация адреса ), выполнение и обратная

выгрузка.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с

предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество ко-

манд может быть выполнено за одно и то же время.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализо-

ванное 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 обра-

щение 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 использо-

ванием дополнительного контура, выполненного на 3.1 миллионах тран-

зисторов Pentium процессора ( для сравнения, Intel486 содержит 1.2

миллиона транзисторов ) создающих раздельное внутреннее кэширование

программного кода и данных. Это улучшает производительность посред-

ством исключения конфликтов на шине и делает двойное кэширование

доступным чаще, чем это было возможно ранее. Например, во время фа-

зы предварительной подготовки, используется код команды, полученный

из кэша команд. В случае наличия одного блока кэш-памяти, возможен

конфликт между процессом предварительной подготовки команды и досту-

пом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и дан-

ных исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам вы-

полняться одновременно. Кэш-память программного кода и данных

Pentium процессора содержит по 8 KB информации каждая, и каждая ор-

ганизована как набор двухканального ассоциативного кэша - предназна-

ченная для записи только предварительно просмотренного специфициро-

ванного 32-байтного сегмента, причем быстрее, чем внешний кэш. Все

эти особенности расширения производительности потребовали использо-

вания 64-битовой внутренней шины данных, которая обеспечивает воз-

можность двойного кэширования и суперскалярной конвейерной обработки

одновременно с загрузкой следующих данных. Кэш данных имеет два ин-

терфейса, по одному для каждого из конвейеров, что позволяет ему

обеспечивать данными две отдельные инструкции в течение одного ма-

шинного цикла. После того, как данные достаются из кэша, они записы-

ваются в главную память в режиме обратной записи. Такая техника кэ-

ширования дает лучшую производительность, чем простое кэширование с

непосредственной записью, при котором процессор записывает данные

одновременно в кэш и основную память. Тем не менее, Pentium процес-

сор способен динамически конфигурироваться для поддержки кэширова-

ния с непосредственной записью.

Таким образом, кэширование данных использует два различных

великолепных решения: кэш с обратной записью и алгоритм, названный

MESI ( модификация, исключение, распределение, освобождение) прото-

кол. Кэш с обратной записью позволяет записывать в кэш без обраще-

ния к основной памяти в отличие от используемого до этого непосред-

ственного простого кэширования. Эти решения увеличивают производи-

тельность посредством использования преобразованной шины и предупре-

дительного исключения самого узкого места в системе. В свою очередь

MESI-протокол позволяет данным в кэш-памяти и внешней памяти совпа-

дать - великолепное решение в усовершенствованных мультипроцессор-

ных системах, где различные процессоры могут использовать для рабо-

ты одни и те же данные.

Блок предсказания правильного адреса перехода - это следую-

щее великолепное решение для вычислений, увеличивающее производи-

тельность посредством полного заполнения конвейеров командами, осно-

ванное на предварительном определении правильного набора команд, ко-

торые должны быть выполнены.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычис-

ления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенство-

ванного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который

включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные

математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычисле-

ний с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную кон-

вейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой мо-

гут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются

в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычисле-

ний с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление,

реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет ко-

манды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц

Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычисле-

ний, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных ви-

деоприложений, как CAD и 3D-графика.

Pentium процессор снаружи представляет собой 32-битовое ус-

тройство. Внешняя шина данных к памяти является 64-битовой, удваи-

вая количество данных, передаваемых в течение одного шинного цикла.

Pentium процессор поддерживает несколько типов шинных циклов, вклю-

чая пакетный режим, в течение которого происходит порция данных из

256 бит в кэш данных и в течение одного шинного цикла.

Шина данных является главной магистралью, которая передает

информацию между процессором и подсистемой памяти. Благодаря этой

64-битовой шине данных, Pentium процессор существенно повышает ско-

рость передачи по сравнению с процессором Intel486 DX - 528 MB/сек

для 66 МГц, по сравнению со 160 MB/сек для 50 МГц процессора

Intel486 DX. Эта расширеная шина данных способствует высокоскорос-

тным вычислениям благодаря поддержке одновременной подпитки команда-

ми и данными процессорного блока суперскалярных вычислений, благода-

ря чему достигается еще большая общая производительность Pentium

процессора по сравнению с процессором Intel486 DX.

Давая возможность разработчикам проектировать системы с уп-

равлением энергопотреблением, защитой и другими свойствами, Pentium

процессор поддерживаем режим управления системой