25. Структура микропроцессора Pentium. Особенности архитектуры (суперскалярность, раздельные кэши команд и данных).

Проц.Pentium полностью программно совместим с пред. МП Intel и позволяет применять ранее разраб. ПО для ПК. Однако проц. семейства Pentium обла­д. целым рядом технич. новшеств, а именно:

- близкая к суперскалярной архитектура;

- раздельные кэш-памяти для команд и данных;

- предсказание переходов;

- высокопроизводительные операции с плавающей точкой:

- усовершенствованная 64-разрядная шина данных;

- средства обеспечения целостности данных;

- SL-технология со средствами управления энергопотреб­лением;

- поддержка многопроцессорности;

- мониторинг производительности;

- поддержка различных страниц памяти.

Суперскалярная архитектура. Процессор относится к классу суперскалярных, когда система команд не содержит ни­каких указаний на параллельную обработку внутри процессора. Основная идея, опред. развитие суперскалярных МП, состоит в построении возможно большего количе­ства параллел. структур при сохр. традиционных по­следов. программ.

Т.е. предполаг., что компиляторы и аппаратура МП сами, без вмешательства программиста, обеспечивают загрузку параллельно работающих функц. устройств МП.

Суперскалярность процессоров Pentium реализуется с по­мощью двух конвейеров, которые могут вып. 2 команды одновременно. Как и в случае единственного конвейера, двойной конвейер процессора Pentium выполняет целочисленные коман­ды в пять этапов:

1. предвыборка;

2. дешифрирование 1;

3. дешифрирование 2;

4. выполнение;

5. запись результатов.

При этом несколько команд могут находиться на разных этапах выполнения.

Однако два конвейера не являются независимыми. При ос­тановке одного останавливается и другой. Блок арифметики с плавающей точкой использует блок арифметики с фиксирован­ной точкой. Следовательно, эти операции не могут выполняться параллельно. Это ограничивает суперскалярность процессора. В процессоре Pentium многие команды микрокода, приме­няемые в предыдущих поколениях, заменены внутренними ко­мандами. Это частоиспользуемые и простые команды, которые микропроцессор может выполнять, не прибегая к микрокоду. Для более сложных команд Pentium увеличивает производитель­ность, применяя для выполнения команд два целочисленных конвейера.

Раздельные кэш-памяти команд и данных. Кэш-память команд ориентирована на блок предвар. выборки, а кэш-­память данных - на исполнительные блоки процессора. Каждая кэш-память процессора Pentium имеет размер 8 Кб. Кэш-памяти явл. частично-ассоциативными. Поиск требуемой инфор­мации вып. в стандартных 32-байтовых строках. Буфер трансляции адресов (TLB) хранит вхождения в каталог и табли­цы страниц, к которым обращались последнее время, и преобра­зует адрес ячейки внешней памяти в соответ. адрес данных в кэш-памяти. Кэш-память данных процессора Pentium исп. метод «обратной записи». Он позволяет модифицировать данные в кэше без обращения к оперативной памяти (данные записываются в оперативную память только после удаления из кэша). В предыду­щих поколениях исп. кэш со сквозной записью. При каждой модификации в кэше данные передавались во внутрен­нюю память. Метод обратной записи повышает производитель­ность, уменьшая нагрузку на шину интерфейса с памятью. Кэш процессоров, начиная с Pentium, поддерживает прото­кол MESI, названный по определяемым им состояниям Modified (модифицированный), Exclusive (эксклюзивный), Shared (разде­ленный), Invalid (некорректный). Состояния строк для каждого процессора определяются следующим образом:

- М-состояние - строка присутствует в кэше только этого процессора и модифицирована, т.е. отличается от содержимого основной памяти. Запись в эту строку не приведет к генерации внешнего (по отношению к локальной шине) цикла обращения;

- Е-состояние - строка присутствует в кэше только этого процессора, но не модифицирована (ее копия в основной памяти действительна). Запись переведет ее в М-состояние, не вызывая внешнего цикла обращения;

- S-состояние - строка присутствует в кэше этого процес­сора и потенциально может присутствовать в кэшах других про­цессоров, копия в памяти действительна. Запись в нее должна сопровождаться сквозной записью в основную память, что по­влечет аннулирование соответствующих строк в других кэшах;

- 1-состояние - строка отсутствует в кэше, ее чтение может привести к генерации цикла заполнения строки. Запись в нее бу­дет сквозной и выйдет на внешнюю шину.

Поддержка протокола MESI позволяет обеспечить согласо­ванность данных в кэшах процессоров и в основной памяти при работе в мультипроцессорной системе.