Конвейеризация. Новые возможности микропроцессоров IA-32

Конвейеризация команд

Существенное повышение производительности МП 80286 по сравнению с базовой моделью семейства стало возможным благодаря внедрению в архитектуру семейства IA32 конвейерной обработки. Конвейеризация позволяет нескольким внутренним блокам МП работать одновременно (табл. 5.1), совмещая дешифрование команды, операции АЛУ, вычисление эффективного адреса и циклы шины нескольких команд. В составе МП 80286 есть 4 конвейерных устройства:

Идея конвейеризации была развита в следующих моделях этого семейства. В МП Intel-486 реализован пятиступенчатый конвейер для обработки команд:

Новая микроархитектура процессоров Pentium (рис. 5.1) и более поздних базируется на идее суперскалярной обработки. Под суперскалярностью подразумевается наличие более одного конвейера для обработки команд (в отличие от скалярной - одноконвейерной архитектуры). В МП Pentium команды распределяются по двум независимым исполнительным конвейерам (U и V). Конвейер U может выполнять любые команды семейства IA-32, включая целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V предназначен для выполнения простых целочисленных команд и некоторых команд с плавающей точкой. Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, причем при выдаче устройством управления в одном такте пары команд более сложная команда поступает в конвейер U, а менее сложная - в конвейер V (табл. 5.2). Однако, такая попарная обработка команд (спаривание) возможна только для ограниченного подмножества целочисленных команд. Команды вещественной арифметики не могут запускаться в паре с целочисленными командами. Одновременная выдача двух команд возможна только при отсутствии зависимостей по регистрам.

Динамическое (спекулятивное) исполнение

Одной из главных особенностей шестого поколения микропроцессоров архитектуры IA32 является динамическое (спекулятивное) исполнение. Под этим термином подразумевается следующая совокупность возможностей:

Внутренняя организация МП P6 соответствует архитектуре RISC, поэтому блок выборки команд, считав поток инструкций IA-32 из L1 кэша инструкций, декодирует их в серию микроопераций. Поток микроопераций попадает в буфер переупорядочивания (пул инструкций). В нем содержатся как не выполненные пока микрооперации, так и уже выполненные, но еще не повлиявшие на состояние процессора. Для декодирования инструкций предназначены три параллельных дешифратора: два для простых и один для сложных инструкций. Каждая инструкция IA-32 декодируется в 1-4 микрооперации. Микрооперации выполняются пятью параллельными исполнительными устройствами: два для целочисленной арифметики, два для вещественной арифметики и блок интерфейса с памятью. Таким образом, возможно выполнение до пяти микроопераций за такт.

Блок исполнительных устройств способен выбирать инструкции из пула в любом порядке. При этом благодаря блоку предсказания ветвлений возможно выполнение инструкций, следующих за условными переходами. Блок резервирования постоянно отслеживает в пуле инструкций те микрооперации, которые готовы к исполнению (исходные данные не зависят от результата других невыполненных инструкций) и направляет их на свободное исполнительное устройство соответствующего типа. Одно из целочисленных исполнительных устройств дополнительно занимается проверкой правильности предсказания переходов. При обнаружении неправильно предсказанного перехода все микрооперации, следующие за переходом, удаляются из пула и производится заполнение конвейера команд инструкциями по новому адресу.

Взаимная зависимость команд от значения регистров архитектуры IA-32 может требовать ожидания освобождения регистров. Для решения этой проблемы предназначены 40 внутренних регистров общего назначения, используемых в реальных вычислениях.

Блок удаления отслеживает результат спекулятивно выполненных микроопераций. Если микрооперация более не зависит от других микроопераций, ее результат переносится на состояние процессора, и она удаляется из буфера переупорядочивания. Блок удаления подтверждает выполнение инструкций (до трех микроопераций за такт) в порядке их следования в программе, принимая во внимание прерывания, исключения, точки останова и промахи предсказания переходов.

Описанная схема отображена на рис. 5.2.

Вопросы для самоконтроля