Суперскалярные микропроцессоры середины 90-х годов.

К середине 90-х годов был разработан ряд 64-разрядных суперскалярных микропроцессоров с RISC - архитектурой. К их числу относятся - МП Alpha21064 (фирма DEC), R10000 (фирма MIPS Technologic), Power PC (фирмы IBM - Motorola) и Ultra SPARC (фирма SUN). [11] Основные характеристики этих МП приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9.

	Alpha21164, DEC	PowerPC620 IBM, Motorola	R10000 MIPS	UltraSPARC SUN
Тактовая частота, МГц	300	133	200	167
Число конвейерных устройств	4	6	5	9
Регистры ФЗ и ПЗ	32 – 32	32 – 32	64 - 64	144 – 32
Число команд в такте	4	4	4	4
Кэш 1го уровня, Кбайт	8/8..	32/32 .	32/32	32/32
Кэш 2го уровня, Кбайт	96 (на схеме)	1-128 Мбайт	0,5-16 Мбайт	0,5-4 Мбайт
Число транзисторов, Млн.	9,3	6,88	6	5,5
Технологические нормы	0,5	0,5	0,35	0,5
Мощность., вт	50	30	30	30

Микропроцессор R10000 имеет суперскалярную организацию структуры и работает на тактовой частоте 200 МГц. Он объединяет пять независимых исполнительных устройств, организованных как конвейер, кэш первого уровня и большое число регистров (рис 2.7). Работа МП основана на динамическом переименовании регистров, прогнозировании ветвлений, внеочередной выборки команд. В МП организуется три типа очередей - целочисленные операции, операции с ПЗ, загрузка/ сохранение. При потенциальной способности выполнять пять команд за такт. МП R10000 допускает выборку только четырех, оставляя “пространство для маневра” при планировании загрузки функциональных блоков. Это позволяет R10000 в большинстве случаев выполнять четыре команды за такт, благодаря чему за один такт можно получить до 4 результатов.

Каждое из целочисленных АЛУ может выполнять сложение и логические операции. В то же время одно из АЛУ выполняет операции сдвига и предсказывает переходы, а другое - целочисленные операции умножения и деления. Один из двух блоков операций с плавающей запятой с удвоенной точностью выполняет сложение, а другой - функции умножения/деления и извлечения квадратного корня (последняя операция разбивается на две подоперации, выполняемые параллельно). R10000 содержит высокоскоростной (до 1,6 Гбайт/с) интерфейс "процессор-шина", позволяющий объединять в многопроцессорной конфигурации до четырех процессоров без использования дополнительных интерфейсных схем.

Микропроцессор R 12000 работает на тактовой частоте 300 МГц. При сохранении совместимости на уровне набора команд и расположения выводов в структуру процессора R 12000 внесен ряд усовершенствований: увеличено с 32 до 48 максимальное число инструкций, которые могут выполняться с нарушени­ем порядка следования, добавлен двухпортовый кэш переходов емкостью 32 элемента, увеличена в 4 раза таблица предсказания переходов. (МП)

Микропроцессор Power PC работает на тактовой частоте 133 МГц. В составе структуры МП (рис. ) предусмотрено шесть функциональных конвейерных устройств, встроенные кэш команд и кэш данных по 32 Кбайта каждый, контроллер кэша второго уровня. В МП предусмотрено прогнозирование ветвлений и допускается изменение очередности выполнения команд. Фирма Motorola анонсировала технологию AltiVec применительно к Power PC. Эта технология предусматривает расширение архитектуры МП путем добавления 128-разрядного блока векторной обработки, функционирующего параллельно с блоками целочисленной и плавающей арифметики. Она обеспечивает параллельную обработку векторов длиной 4, 8 и 16 элементов.

Микропроцессор Ultra SPARC работает на тактовой частоте 167 МГц, а МП Ultra SPARCII - на частоте 300 МГц. МП Ultra SPARC совместим с моделями Hiper SPARC и Super SPARC. В структуре микропроцессора Ultra SPARC (рис. ) предусмотрены - два целочисленных АЛУ, блок загрузки/сохранения, блок обработки ветвлений, пять специализированных устройств для операций с ПЗ и графических вычислений. Кроме того на кристалле размещены раздельные кэш-памяти команд и данных по 16 Кбайт каждый. Микропроцессор выполняет до четырех команд за такт, для выполнения операций организован девятиуровневый конвейер. В структуре МП SPARC используется восемь перекрывающихся окон по 24 регистра каждое. С началом новой процедуры информацию окна не требуется записывать в память, просто новый контекст использует новое окно. В МП Ultra SPARCII введен механизм, благодаря которому при каждом прерывании становится доступным новое окно из восьми регистров. В структуре МП 128-разрядная шина памяти работает с тактовой частотой самого процессора. Шина памяти изолирована от шины ввода/вывода. МП Ultra SPARCIII содержит шесть основных функциональных блоков - устройство выдачи команд и прогнозирования переходов, устройство выполнения операций целочисленной арифметики, устройство плавающей арифметики, одновременно выполняющие шесть команд за один такт, кэш - память данных, устройство внешней памяти и устройство системного интерфейса. МП работает на тактовых частотах от 600 МГц и выше, вплоть до 1000 МГц.

Характеристики МП, разработанных в 2001 – 2004 годах для применения во встраиваемых системах, приведены в таблице 2.10.