26. Структура микропроцессора Pentium. Особенности архитектуры.

Процессор Pentium полностью программно совместим с предыдущими микропроцессорами Intel и позволяет применять ранее разработанное программное обеспечение для персональ­ных компьютеров. Однако процессоры семейства Pentium обла­дают целым рядом технических 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.

Предсказание переходов. Процессор Pentium - первый х-86 совместимый микропроцессор, использующий данное сред­ство, которое ранее применялось в больших ЭВМ и RISC-про- Цессорах. Основное назначение данного механизма - повышение вероятности наличия в кэш-памяти требуемой команды и, таким образом, уменьшение потерь процессорных циклов, связанных с промахами в кэш-памяти при выполнении команд ветвления.

Процессор Pentium выполняет упреждение переходов, ис­пользуя буфер переходов ВТВ (Branch Target Buffer) и два буфе­ра предварительной выборки. Один буфер применяется для предварительной выборки команды, в предположении, что пере­хода нет, другой выполняет предвыборку инструкций в буфер, используя содержимое ВТВ, запомненное при первом выполне­нии перехода. Буфер ВТВ хранит историю происходивших пере­ходов. Каждый из 512 элементов ВТВ хранит целевой адрес и 4 бита предыстории, которые несут информацию о том, слу­чался ли переход за последние четыре прохода через инструкции ветвления, ссылающиеся на данный адрес. Если на основании анализа предыстории предсказывается переход, целевой адрес посылается в блок предвыборки, не дожидаясь выполнения ветв­ления.

Алгоритм упреждения переходов процессора Pentium не только прогнозирует выбор простых ветвей, но поддерживает и более сложное прогнозирование (например, во вложенных цик­лах). Это делается с помощью хранения в буфере ВТВ несколь­ких адресов переходов. ВТВ хранит до 256 результатов перехо­дов, что позволяет выполнять правильное предсказание с веро­ятностью не менее 0,8.

Высокопроизводительный блок операций с плавающей точкой. В процессоре Pentium применяется блок вычислений с плавающей точкой, использующий сложные восьмиступенча- тые конвейеры и внутренние функции. Большинство команд с плавающей точкой начинают выполняться в одном из целочис­ленных конвейеров, а затем передаются на конвейеры с плаваю­щей точкой. Кроме того, обычные функции с плавающей точкой (сложение, умножение, деление) для более быстрого выполнения реализованы как внутренние функции.

Усовершенствованная 64-разрядная шина данных. Рас­ширенная до 64 бит шина данных поддерживает поток команд и данных, передаваемых суперскалярному исполнительному про­цессорному ядру, что способствует повышению интенсивности обработки.

Помимо расширения шины данных, для увеличения ее про­пускной способности процессор Pentium реализует:

1. конвейеризацию циклов шины, позволяющую начать вто­рой цикл до завершения первого. Это предоставляет подсистемам памяти больше времени для декодирования адреса, благодаря чему можно применять более медленные и менее дорогие ком­поненты памяти, что отражается на общей стоимости системы;

2. поддержку пакетного чтения и записи, проверку четно­сти адреса и данных;

3. поддержку двух буферов записи (по одному на каждый конвейер), благодаря которым процессор может продолжать ра­боту, выполняя следующие команды, хотя результат одной из текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.

Средства обеспечения целостности данных. С целью по­вышения надежности систем, создаваемых на основе Pentium, в нем предусмотрены два средства, ранее присущие только боль­шим ЭВМ, внутреннее обнаружение ошибок и тестирование с помощью функциональной избыточности.

Для внутреннего обнаружения ошибок используются биты четности внутренних буферов процессора. Для приложений, особо критичных к достоверности результата, может быть ис­пользовано средство функциональной избыточности FRC (Func­tional Redundancy Checking). FRC требует использования двух микропроцессоров - основного и проверяющего. Микропроцес­соры выполняют одни и те же вычисления параллельно. Один процессор сравнивает результаты с результатами второго мик­ропроцессора. В случае расхождения генерируется прерывание.

Управление энергопотреблением. Средства энергосбере­жения работают на двух уровнях: 1. на уровне микропроцессора; 2. на уровне системы.

На уровне микропроцессора управление энергопотребле­нием предусматривает при выполнении задач, не требующих ин­тенсивных вычислений (например, при редактировании текстов), перевод процессора в режим с пониженной тактовой частотой и пониженным потреблением питания.

На уровне системы возможна даже полная остановка процессора («спящий» режим — SL). Этот механизм поддержива­ется системой SMM, контролирующей энергопотребление во всем компьютере, включая периферийные устройства. Этот ре­жим обеспечивает интеллектуальное управление системой, по­зволяющее микропроцессору замедлять функционирование, при­останавливать или полностью прекращать работу отдельных сис­темных компонентов, максимизируя экономию электроэнергии.

Поддержка мультипроцессорности. В качестве средств поддержки мультипроцессорной работы, включенных в процес­сор Pentium, можно выделить:

- поддержку согласованности данных между различными процессорами через кэш-данные с использованием протокола MESI;

- внутрикристальный контроллер многопроцессорных пре­рываний, поддерживающий до 60 процессоров;

-двухвходовой контроллер кэш-памяти второго уровня, позволяющий двум процессорам совместно использовать один кэш второго уровня.

Мониторинг производительности. Мониторинг произво­дительности - это средства процессора Pentium, позволяющие разработчикам системы и приложений оптимизировать их про­граммное и аппаратное обеспечение благодаря идентификации в программном коде потенциально «узких мест». Разработчики могут наблюдать и подсчитывать такты для внутренних процес­сорных событий, влияющих на производительность операций чтения и записи, успешные и неуспешные обращения к кэш­памяти, прерывания, использование шины. Это позволяет оцени­вать эффективность программного кода относительно архитек­туры Pentium и выполнять тонкую настройку разрабатываемых приложений или систем для получения максимальной произво­дительности.

Процессоры Pentium имеют 64-битный счетчик меток ре­ального времени TSC (Time Stamp Counter). Этот счетчик инкре- ментируется с каждым тактом процессорного ядра; отсчет начи­нается с нуля по аппаратному сбросу сигналом RESET. Разряд­ность регистра обеспечивает счет без переполнения в течение нескольких тысячелетий. Счетчик продолжает счет и при испол­нении инструкции HLT, и при остановке процессора по сигналу энергосбережения