Архитектура процессора Intel Pentium 4

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ УКРАИНЫ 

чЕРКАССКИЙ  ГОССУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

КАФЕДРА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА

с дисциплины «Архитектура компьютера»

на  тему:

«Архитектура процессора Intel Pentium 4»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Черкассы 2008 
 

Содержание 

 

 

Введение   

     Будучи  выпущенным в 1995 году, процессор Intel Pentium Pro стал первым CPU с архитектурой P6. С  тех пор прошло уже достаточно много времени, сменилось несколько  поколений процессоров, однако, по сути архитектура не менялась. Семейства Pentium II, Pentium III и Celeron имеют все то же строение ядра, отличаясь по сути только размером и организацией кеша второго уровня и наличием набора команд SSE, появившегося в Pentium III. Естественно, рано или поздно архитектура P6 должна была устареть. И дело тут вовсе не в невозможности дальнейшего наращивания тактовых частот и даже не в обострившейся в последнее время конкуренцией с AMD. Конечно, нельзя отрицать тот факт, что достигнув частоты в 1 ГГц Intel столкнулся с проблемами в дальнейшем наращивании частоты своих процессоров: Pentium III 1.13 ГГц даже пришлось отзывать в связи с его нестабильностью. Однако, эту проблему легко можно решить переходом на 0.13 мкм процесс – тем более, что его повсеместное внедрение не за горами.

     Настоящая причина необходимости новой архитектуры кроется глубже. К сожалению, дальнейшее наращивание частоты существующих процессоров приводит все к меньшему росту их производительности. Проблема в том, что латентности, то есть задержки, возникающие при обращении к тем или иным узлам процессора, по нынешним меркам в P6 уже слишком велики. Именно это явилось основной причиной, по которой Intel затеял разработку Pentium 4, которая выполнена с чистого листа. Таким образом, анонсированный Pentium 4 - совершенно новый процессор, ничего общего не имеющий со своими предшественниками. В его основе лежит архитектура, названная Intel NetBurst architecture. Этим названием Intel хотел подчеркнуть, что основная цель нового процессора – ускорить выполнение задач потоковой обработки данных, напрямую связанных с бурно развивающимся Internet. 
 
 

1.  Аналитический обзор аналогов 

     Процессор  Pentium фирмы INTEL объединяет преимущества, традиционно присущие миникомпьютерам и рабочим станциям, с  гибкостью  и  совместимостью,  которыми характеризуются платформы персональных компьютеров.           

 Спроектированный  для  нужд объединения все усложняющегося современного и будущего прикладного программного обеспечения, Pentium  процессор  расширяет диапазон микропроцессорной архитектуры фирмы INTEL до новых высот, затеняемой ранее отличиями между мощными вычислительными платформами и созданными для совершенно новой области применений настольными  компьютерами  и серверами.

 Объединяя более  чем  3.1  миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66МГц. Его суперскалярная архитектура использует  усовершенствованные способы проектирования, которые позволяют выполнять более чем одну команду за один период тактовой частоты,  в  результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой микропроцессор. 

     На  приведенном коллаже (это действительно  коллаж, потому что со скриншота Task Manager были удалены все пользовательские процессы, т. е. приложения, запускаемые “для работы”) хорошо видно, что “голая” Windows XP, сама по себе, не запустив еще ни одного приложения, уже породила 12 процессов, причем многие из них к тому же еще и многопоточные, и общее количество потоков достигает двухсот восьми штук!

     Поэтому рассчитывать на то, что удастся  прийти к схеме “по собственному CPU на каждую задачу” совершенно не приходится, и переключаться между фрагментами кода процессоры будут все равно - и физические, и виртуальные.

     Теперь  перейдем к Hyper-Threading. Фактически - это тоже многопроцессорность, только виртуальная. Ибо процессор Pentium 4 на самом деле один. А процессоров ОС видит - два.

     Классическому “одноядерному” процессору добавили еще один блок AS - IA-32 Architectural State. Architectural State содержит состояние регистров (общего назначения, управляющих, APIC, служебных). Фактически, AS#1 плюс единственное физическое ядро (блоки предсказания ветвлений, ALU, FPU, SIMD-блоки и пр.) представляет из себя один логический процессор (LP1), а AS#2 плюс все то же физическое ядро - второй логический процессор (LP2). У каждого LP есть свой собственный контроллер прерываний (APIC - Advanced Programmable Interrupt Controller) и набор регистров. Для корректного использования регистров двумя LP существует специальная таблица - RAT (Register Alias Table), согласно данным в которой можно установить соответствие между регистрами общего назначения физического CPU. RAT у каждого LP своя. В результате получается схема, при которой на одном и том же ядре могут свободно выполняться два независимых фрагмента кода т. е. де-факто - многопроцессорную систему!  

 

2. Архитектура Pentium процессора 

     Pentium процессор. Технические нововведения.             

 Многочисленные  нововведения  -  характерная   особенность Pentium процессора в виде уникального сочетания высокой производительности,  совместимости,  интеграции данных и наращиваемости. Это включает:    

- суперскалярную архитектуру;    

- раздельное кэширование программного кода и данных;     

- блок предсказания правильного адреса перехода;     

- высокопроизводительный  блок вычислений с плавающей запятой;    

- расширенную 64-битовую шину данных;    

- поддержку многопроцессорного режима работы;    

- средства задания размера страницы памяти;    

- средства  обнаружения  ошибок и функциональной избыточности;    

- управление производительностью;    

- наращиваемость с помощью Intel OverDrive процессора.

     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.  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. 

     Первым делом, попробуем разобраться с особенностями новой архитектуры. Архитектура NetBurst имеет в своей основе несколько инноваций, в комплексе и позволяющих добиться конечной цели – гарантировать запас быстродействия и будущую наращиваемость для процессоров семейства Pentium 4. В число основных технологий входят:

      - Hyper Pipelined Technology. Конвейер Pentium 4 имеет беспрецедентно большую глубину – 20 стадий;

      - Advanced Dynamic Execution. Улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования (out of order execution);

      - Trace Cache. Для кэширования декодированных инструкций в Pentium 4 используется специальный кэш;

     - Rapid Execute Engine. ALU процессора Pentium 4 работает на вдвое большей, чем сам процессор, частоте;

     - SSE2. Расширенный набор инструкций для обработки потоковых данных;

     - 400 MHz System Bus. Новая системная шина.

Рассмотрим  все нововведения по порядку.

     Названием Hyper Pipelined Technology конвейер Pentium 4 обязан своей длине – 20 стадий. Для сравнения – длина конвейера Pentium III составляет 10 стадий. Чего же достиг Intel, так удлинив конвейер? Благодаря декомпозиции выполнения каждой команды на более мелкие этапы, каждый из этих этапов теперь может выполняться быстрее, что позволяет беспрепятственно увеличивать частоту процессора. Так, если при используемом сегодня технологическом процессе 0.18 мкм предельная частота для Pentium III составляет 1 ГГц (ну или, по более оптимистичным оценкам, 1.13 ГГц), Pentium 4 сможет достигнуть частоты 2 ГГц.

     Однако, у чрезмерно длинного конвейера  есть и свои недостатки. Первый недостаток очевиден – каждая команда теперь, проходя большее число стадий, выполняется дольше. Поэтому, чтобы  младшие модели Pentium 4 превосходили по производительности старшие модели Pentium III, частоты Pentium 4 начинаются с 1.4 ГГц. Если бы Intel выпустил бы Pentium 4 1 ГГц, то этот процессор несомненно бы проиграл в производительности гигагерцовому Pentium III. Второй недостаток длинного конвейера вскрывается при ошибках в предсказании переходов. Как и любой современный процессор, Pentium 4 может выполнять инструкции не только последовательно, но и параллельно, соответственно не всегда в том порядке, как они следуют в программе и не всегда доподлинно зная направления условных переходов. Для того, чтобы выбирать в таких случаях ветви программы для дальнейшего выполнения, процессор прогнозирует результаты выполнения условных переходов на основании накопленной статистики. Однако, иногда блок предсказания переходов все же ошибается, и в этом случае приходится полностью очищать конвейер, сводя на нет всю предварительно проделанную процессором работу по выполнению не той ветви в программе. Естественно, при более длинном конвейере, его очистка обходится дороже в том смысле, что на новое заполнение конвейера уходит больше процессорных тактов, а следовательно и времени.

     Целью ряда ухищрений в архитектуре Pentium 4, под общим названием Advanced Dynamic Execution, как раз и является минимизация простоя процессора при неправильном предсказании переходов и увеличение вероятности правильных предсказаний. Для этого Intel улучшил блок выборки инструкций для внеочередного выполнения и повысил правильность предсказания переходов. Правда, для этого алгоритмы предсказания переходов были доработаны минимально, основным же средством для достижения цели было выбрано увеличение размеров буферов, с которыми работают соответствующие блоки процессора. Так, для выборки следующей инструкции для исполнения используется теперь окно величиной в 126 команд против 42 команд у процессора Pentium III. Буфер же, в котором сохраняются адреса выполненных переходов и на основании которого процессор предсказывает будущие переходы, теперь увеличен до 4 Кбайт, в то время как у Pentium III его размер составлял всего 512 байт. Результатом этого, а также благодаря небольшой доработке алгоритма, вероятность правильного предсказания переходов была улучшена по сравнению с Pentium III на 33%. Это – очень хороший показатель, поскольку теперь Pentium 4 предсказывает переходы правильно в 90-95% случаев.

     Вместо  обычного L1 кеша, который в Pentium III был  разделен на область инструкций и  область данных в Pentium 4 применен новый  подход. Инструкции в L1 кэше не сохраняются, он предназначен теперь только для данных. Для кэширования инструкций теперь используется Trace Cache, однако по сравнению с обычным L1-кешем он имеет много преимуществ, направленных опять же на минимизацию простоев процессора при выполнении неправильных предсказаний переходов. Первое, и основное – в Trace Cache сохраняются уже декодированные инструкции. Это значит, что в нем хранятся не классические x86 инструкции, а так называемые микрокоманды, более простые операции которыми непосредственно оперирует процессорное ядро. Сохранение в Trace Cache микроопераций позволяет избежать повторного декодирования x86 инструкций при повторном выполнении того же участка программы или при неправильном предсказании переходов.