Архитектура и процессоры персональных компьютеров

7.2.4. Особенности процессора 486

Процессор 486 является представителем второго поколения 32-разрядных процессоров. Он сохраняет основные принципы архитектуры процессора 80386, а также обеспечивает полную совместимость со своими предшественниками. Но в то же время он имеет ряд преимуществ.

• В процессор введена внутренняя кэш -память 1-го уровня (Internal cache Level 1) размером 8 Кбайт и предусмотрены средства для двухуровневого кэширования.
• В процессор введен математический сопроцессор (в модели процессора 486SX сопроцессор отсутствует).
• Повышена производительность обмена по внешней шине — введены так называемые пакетные циклы, передающие одно слово за один такт шины.
• В архитектуре процессора применено скоростное RISC-ядро, которое позволяет наиболее часто встречающиеся команды выполнять за один такт.
• В структуру введены буферы отложенной записи.
• В отдельных моделях предусмотрено внутреннее умножение тактовой частоты (на 2, 2,5 или 3).

Все это обеспечило существенное увеличение быстродействия. А усовершенствованный защищенный режим дает некоторые дополнительные возможности.

Рассмотрим подробнее принцип действия кэш -памяти.

Кэш -память (или просто кэш, от англ. Cache — склад, тайник) предназначена для промежуточного хранения информации из системной памяти с целью ускорения доступа к ней. Ускорение достигается за счет использования более быстрой памяти и более быстрого доступа к ней. При этом в кэш -памяти хранится постоянно обновляемая копия некоторой области основной памяти.

Необходимость введения кэша связана с тем, что системная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, которая характеризуется меньшей стоимостью, но и более низким быстродействием, по сравнению со статической памятью. Идея состоит в том, что благодаря введению быстрой буферной, промежуточной статической памяти можно ускорить обмен с медленной динамической памятью. По сути, кэш -память делает то же, что и применявшийся ранее конвейер команд, но на более высоком уровне. В кэш -памяти хранится копия некоторой части системной памяти, и процессор может обмениваться с этой частью памяти гораздо быстрее, чем с системной памятью. Причем в кэш -памяти могут храниться как команды, так и данные.

Выигрыш в быстродействии от применения кэша связан с тем, что процессор в большинстве случаев обращается к адресам памяти, расположенным последовательно, один за другим, или же близко друг к другу. Поэтому высока вероятность того, что информация из этих адресов памяти окажется внутри небольшой кэш -памяти. Если же процессор обращается к адресу, расположенному далеко от тех, к которым он обращался ранее, кэш оказывается бесполезным и требует перезагрузки, что может даже замедлить обмен по сравнению со структурой без кэш -памяти.

В принципе кэш -память может быть как внутренней (входить в состав процессора), так и внешней. Внутренний кэш называется кэшем первого уровня, внешний — кэшем второго уровня. Объем внутреннего кэша обычно невелик — типовое значение 32 Кбайт. Объем внешнего кэша может достигать нескольких мегабайт. Но принцип функционирования у них один и тот же.

Кэш первого уровня процессора 486 имеет четырехканальную структуру (рис. 7.9). Каждый канал состоит из 128 строк по 16 байт в каждой. Одноименные строки всех четырех каналов образуют 128 наборов из четырех строк, каждый из которых обслуживает свои адреса памяти. Каждой строке соответствует 21-разрядная информация об адресе скопированного в нее блока системной памяти. Эта информация называется тегом (Tag) строки.

Рис. 7.9. Структура внутреннего кэша процессора 486.

Кроме того, в состав кэша входит так называемый диспетчер, то есть область памяти с организацией 128 х 7, в которой хранятся 4-битные теги действительности (достоверности) для каждого из 128 наборов и 3-битные коды LRU (Least Recently Used) для каждого из 128 наборов. Тег действительности набора включает в себя 4 бита достоверности каждой из 4 строк, входящих в данный набор. Бит достоверности, установленный в единицу, говорит о том, что соответствующая строка заполнена; если он сброшен в нуль, то строка пуста. Биты LRU говорят о том, как давно было обращение к данному набору. Это нужно для того, чтобы обновлять наименее используемые наборы.

Адресация кэш -памяти осуществляется с помощью 28 разрядов адреса. Из них 7 младших разрядов выбирают один из 128 наборов, а 21 старший разряд сравнивается с тегами всех 4 строк выбранного набора. Если теги совпадают с разрядами адреса, то получается ситуация кэш-попадания, а если нет, то ситуация кэш-промаха.

В случае цикла чтения при кэш-попадании байт или слово читаются из кэш -памяти. При кэш-промахе происходит обновление (перезагрузка) одной из строк кэш -памяти.

В случае цикла записи при кэш-попадании производится запись как в кэш -память, так и в основную системную память. При кэш-промахе запись производится только в системную память, а обновление строки кэш -памяти не производится. Эта строка становится недостоверной (ее бит достоверности сбрасывается в нуль).

Такая политика записи называется сквозной или прямой записью (Write Through). В более поздних моделях процессоров применяется и обратная запись (Write Back), которая является более быстрой, так как требует гораздо меньшего числа обращений по внешней шине.

При использовании обратной записи в основную память записываемая информация отправляется только в том случае, когда нужной строки в кэше нет. В случае же попадания модифицируется только кэш. В основную память измененная информация попадет только при перезаписи новой строки в кэш. Прежняя строка при этом целиком переписывается в основную память, и тем самым восстанавливается идентичность содержимого кэша и основной памяти.

В случае, когда требуемая строка в кэше не представлена (ситуация кэш-промаха), запрос на запись направляется на внешнюю шину, а запрос на чтение обрабатывается несколько сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, то выполняется цикл заполнения целой строки кэша (16 байт из памяти переписывается в одну из строк набора, обслуживающего данный адрес). Если затребованные данные не укладываются в одной строке, то заполняется и соседняя строка. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом — пакетным циклом, однако внешний контроллер памяти может потребовать использования более медленных пересылок.

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только данные считываются из памяти, а дальнейшее заполнение строки может идти параллельно с обработкой данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка, заполнена будет именно она. Если же свободных строк нет, заполняется строка, к которой дольше всех не обращались. Для этого используются биты LRU, которые модифицируются при каждом обращении к строке данного набора.

Кроме того, существует возможность аннулирования строк (объявления их недостоверными) и очистки всей кэш -памяти. При сквозной записи очистка кэша проводится специальным внешним сигналом процессора, программным образом с помощью специальных команд, а также при начальном сбросе – по сигналу RESET. При обратной записи очистка кэша подразумевает также выгрузку всех модифицированных строк в основную память.

Отметим, что в пространстве памяти персонального компьютера имеются области, для которых кэширование принципиально недопустимо (например, разделяемая память аппаратурных адаптеров — плат расширения).

Режим пакетной передачи (Burst Mode), впервые появившийся в процессоре 486, предназначен для быстрых операций со строками кэша. Пакетный цикл обмена (Burst Cycle) отличается тем, что для пересылки всего пакета адрес по внешней шине адреса передается только один раз — в начале пакета, а затем в каждом следующем такте передаются только данные. Адрес для каждого следующего кода данных вычисляется из начального адреса по правилам, установленным как передатчиком данных, так и их приемником. Например, адрес каждого следующего слова данных вычисляется как инкрементированный адрес предыдущего. В результате время передачи одного слова данных значительно сокращается. Понятно, что обмен пакетными циклами возможен только с устройствами, изначально способными обслуживать такой цикл. Допустимая длина пакета не слишком велика, например, при чтении размер пакета ограничен одной строкой кэша.

Режим внутреннего умножения тактовой частоты процессора был предложен для того, чтобы повысить быстродействие процессора, но при этом устанавливать его в системные платы, рассчитанные на невысокие тактовые частоты. Например, модель процессора 486DX2-66 работает в системной плате с тактовой частотой 33, но эту частоту внутри себя преобразует в удвоенную частоту — 66 МГц. Это позволяет уменьшить общую стоимость системы, так как снижает требования к элементам системной платы.

Процессор 486 выпускался в 168- или 169-выводных корпусах. Напряжение питания — 5 В или 3,3 В. Введение пониженного напряжения питания 3,3 В связано с необходимостью снижения величины рассеиваемой мощности. Растущая тактовая частота и усложнение структуры процессоров приводят к тому, что рассеиваемая ими мощность достигает нескольких ватт. Для современных процессоров уже обязательно применение вентиляторов на корпусе процессора.

7.2.5. Особенности процессоров Pentium

Процессоры Pentium относятся к пятому поколению процессоров или к третьему поколению 32-разрядных процессоров. По своим основным архитектурным принципам они совместимы с процессорами 386 и 486. Но имеются существенные отличия, позволяющие говорить о новом поколении:

• Суперскалярная архитектура процессора, то есть процессор имеет два пятиступенчатых параллельно работающих конвейера обработки информации, благодаря чему он способен одновременно выполнять две команды за один такт. Необходимо отметить, что преимущества такой архитектуры проявляются только в случае специальной компиляции программного обеспечения, позволяющей осуществлять параллельную обработку.
• Внешняя 64-разрядная шина данных для повышения производительности. Это требует соответствующей организации памяти. Из-за такой особенности процессор иногда неправильно называют 64-разрядным (хотя внутри он все-таки остался 32-разрядным). Внешняя шина адреса процессора — 32-разрядная.
• Применение технологии динамического предсказания ветвлений (переходов).
• Раздельный кэш для команд и данных объемом 8 Кбайт каждый. Длина строки кэша — 32 байта. Оба кэша работают в режиме обратной записи.
• Повышенная в 2—10 раз по сравнению с процессором 486 производительность встроенного математического сопроцессора. В нем применена восьмиступенчатая конвейеризация и специальные блоки сложения, умножения и деления, что позволяет выполнять операции с плавающей точкой за один такт процессора.
• Сокращено время (число тактов) выполнения команд.
• Предусмотрена возможность построения двухпроцессорных систем.
• Введены средства управления энергопотреблением и тестирования.

Предсказание ветвлений позволяет продолжать выборку и декодирование потока команд после выборки команды ветвления (перехода), не дожидаясь проверки условия перехода. В прежних моделях в данном случае приходилось приостанавливать конвейер. Динамическое предсказание основывается на анализе предыдущей программы и накапливании статистики поведения. Исходя из этого анализа предсказывается наиболее вероятное условие каждого встречающегося в программе перехода.

В дополнение к базовой архитектуре 32-разрядных процессоров Pentium имеет набор регистров MSR (Model Specific Registers). В него входит группа тестовых регистров ( TR1 — TR12 ), средства слежения за производительностью, регистры-фиксаторы адреса и данных цикла, вызвавшего срабатывание контроля машинной ошибки. Название этой группы регистров указывает на их уникальность для каждой модели процессоров Pentium.

Средства для слежения за производительностью (мониторинга производительности) включают в себя таймер реального времени и счетчики событий. Таймер представляет собой 64-разрядный счетчик, инкрементируемый с каждым тактом процессора. Два счетчика событий имеют разрядность по 40 бит и программируются на подсчет событий различных классов, связанных с шинными операциями, исполнением команд, связанных с работой кэша, контролем точек останова и т.д. Сравнивая состояния таймера и счетчиков событий, можно сделать вывод о производительности процессора.

Тестовые регистры позволяют управлять большинством функциональных узлов процессора, обеспечивая возможность подробного тестирования их работоспособности. Специальные биты регистра TR12 позволяют отключить новые архитектурные свойства (предсказание и трассировку ветвлений, параллельное выполнение инструкций), а также работу первичного кэша.

Средства для построения двухпроцессорных систем позволяют на одной локальной шине устанавливать два процессора с объединением почти всех одноименных выводов. Это дает возможность использовать симметричную мультипроцессорную обработку (SMP — Symmetric Multi-Processing) или строить функционально избыточные системы (FRC — Functional Redundancy Checking).

В режиме SMP каждый процессор выполняет свою задачу, порученную ему операционной системой, что поддерживается такими системами, как Novell NetWare, Windows NT, Unix. Оба процессора разделяют общие ресурсы компьютера, включая память и устройства ввода/вывода. В каждый момент шиной управляет один процессор, по определенным правилам они меняются ролями. В идеальном случае производительность системы увеличивается вдвое (без учета обращений к шине и времени на переключение процессоров).

В конфигурации FRC два процессора выступают как один логический процессор. Основной процессор (Master) работает в обычном однопроцессорном режиме. Проверочный процессор (Checker) выполняет все те же операции внутри себя, не управляя внешней шиной, и сравнивает сигналы основного процессора с теми, которые генерирует сам. В случае несовпадения формируется сигнал ошибки, обрабатываемый как прерывание. То есть в данном случае увеличивается надежность системы в целом (в идеале — вдвое).

Развитием Pentium стало добавление технологии MMX, рассчитанной на мультимедийное, графическое и коммуникационное применение. Основная идея ММХ заключается в одновременной обработке нескольких элементов данных за одну команду (SIMD, Single Instruction — Mutiple Data). Расширение ММХ использует новые типы упакованных 64-битных данных:

• упакованные байты — восемь байт;
• упакованные слова — четыре слова;
• упакованные двойные слова (два двойных слова);
• учетверенное слово (одно слово).

Эти типы данных могут обрабатываться в восьми дополнительных 64-разрядных регистрах MMX0 — MMX7. В систему команд для поддержки MMX введено 57 дополнительных команд для одновременной обработки нескольких единиц данных (команды пересылки, арифметические, логические команды и команды преобразования форматов данных). Команды ММХ доступны из любого режима процессора.

Кроме того, в процессорах Pentium ММХ увеличен объем кэша данных и программ (до 16 Кбайт каждый), увеличено число ступеней конвейеров и введено еще несколько усовершенствований, повышающих производительность обычных (не мультимедийных) операций.

От процессора Pentium Pro принято отсчитывать шестое поколение процессоров. Pentium Pro по сравнению с Pentium имеет следующие усовершенствования:

• Динамическое исполнение команд предполагает, что команды, не зависящие от результатов предыдущих операций, могут выполняться в измененном порядке (последующие раньше предыдущих), однако последовательность обмена с внешними устройствами (памятью и устройствами ввода/вывода) будет соответствовать программе. То есть процессор сам выбирает удобный ему порядок выполнения команд. Это позволяет повысить производительность процессора без увеличения тактовой частоты.
• Архитектура двойной независимой шины повышает суммарную пропускную способность. Одна шина (системная) служит для обмена с основной памятью и устройствами ввода/вывода, а другая (локальная) предназначена только для обмена с вторичным кэшем (см. рис. 7.3).
• В процессор введен кэш второго уровня объемом 256—512 Кбайт.
• Возможно построение многопроцессорных систем (до четырех микропроцессоров).

Процессор Pentium II сочетает в себе архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ.

Размер первичных кэшей данных и команд составляет 16 Кбайт, вторичного кэша — до 512 Кбайт. Кэш второго уровня несколько медленнее, чем кэш первого уровня, зато он имеет больший объем. Такая двухуровневая организация позволяет достигать компромисса между быстродействием кэш -памяти и ее объемом.

Шина адреса имеет 36 разрядов (то есть максимально допустимый объем памяти — 64 Гбайта).

Процессоры Pentium III и Pentium 4 отличаются значительно возросшей предельной тактовой частотой (до 3 ГГц у Pentium 4, а в перспективе и до 5 ГГц), увеличенным объемом кэша (от 512 Кбайт до нескольких мегабайт) и дальнейшим совершенствованием архитектуры Pentium. Размер внутреннего конвейера у Pentium 4 доведен до 20 ступеней.

Уже появились и полностью 64-разрядные процессоры. Правда, полное использование возможностей 64-разрядной архитектуры потребует существенного изменения программного обеспечения.

Надо отметить, что в составе персональных компьютеров практически никогда не используются все возможности процессоров семейства Pentium. Например, многопроцессорные системы встречаются достаточно редко, а объем системной памяти лишь иногда превышает 512 Мбайт.

Для портативных компьютеров были предложены упрощенные версии процессоров Pentium III и Pentium 4, продаваемые под маркой Celeron. Они отличаются уменьшенной тактовой частотой и сокращенным объемом кэша второго уровня. Их тактовая частота сейчас доходит до 2 ГГц. Надо учитывать, что рассеиваемая мощность процессора Celeron остается практически такой же, как у процессоров Pentium III и Pentium 4.