13)Микроархитектура процессоров Intel Core. Исполнение программного кода на основе конвейерной обработки
Микроархитектура Intel Core основана на философии энергоэкономичности, впервые реализованной в микроархитектуре Intel для мобильных ПК, на базе которой был создан процессор Intel® Pentium® M, и дополняет ее многочисленными передовыми инновациями в области микроархитектуры и различными возможностям микроархитектуры Intel NetBurst®.
Высокопроизводительная энергосберегающая микроархитектура Intel® Core™ является основой множества новых решений и форм-факторов компьютерных систем.
В сегменте домашних компьютеров в их число входят высокопроизводительные, бесшумные и элегантные настольные ПК и функциональные и удобные развлекательные системы. Для клиентских и серверных платформ предприятий эта микроархитектура обеспечит преимущества компактности, уменьшения энергопотребления, снижения требований к охлаждению, повышенного быстродействия, высокой продуктивности и энергосбережения. Для пользователей мобильных ПК микроархитектура Intel Core обеспечивает высокую производительность и длительное время автономной работы. Она поддерживает разнообразные компактные форм-факторы мобильных компьютеров.
Микроархитектура Intel Core обеспечивает высокую производительность, энергосбережение и быстродействие в многозадачных средах, повышая качество работы пользователей во всех средах.
Характеристики
Микроархитектура Intel Core включает новые и инновационные возможности, увеличивающие производительность ПК:
Динамическое исполнение команд - это сочетание методик (анализ потоков данных, упреждающее исполнение команд, внеочередное исполнение), впервые примененное корпорацией Intel в микроархитектуре P6, использованной в процессорах Intel® Pentium® Pro, Intel® Pentium® II и Intel® Pentium® III.
В микроархитектуре Intel Core корпорация Intel значительно расширила эти возможности, представив технологию Intel Wide Dynamic Execution. Эта технология позволяет выполнять больше команд за тактовый цикл, сокращая время исполнения и улучшая энергопотребление. Каждое исполняющее ядро имеет ширину потока команд на 33% больше, чем в предыдущих поколениях, благодаря чему каждое ядро может получать, обрабатывать, исполнять и отбрасывать до четырех полных команд одновременно. Это значительно повышает производительность по сравнению с конкурирующими процессорными технологиями, поддерживающими одновременную обработку только трех команд. Технология Intel Wide Dynamic Execution также включает инновационную технологию макро-слияния (Macro-Fusion). Технология Macro-Fusion позволяет объединять некоторые распространенные команды x86 в одну команду для исполнения. Кроме того, технология Intel Wide Dynamic Execution обеспечивает повышение эффективности исполнения команд, улучшая производительность и энергосбережение.
Технология Intel Intelligent Power Capability предназначена для снижения энергопотребления и расчетных требований. Она управляет энергопотреблением всех ядер процессора. Благодаря оптимизации энергопотребления микроархитектура Intel Core обеспечивает энергосбережение и повышение производительности настольных ПК, мобильных ПК и серверов массовой категории.
Технология Intel Advanced Smart Cache включает оптимизированную многоядерную кэш-память, значительно уменьшающую задержку при работе с часто используемыми данными, а также улучшающую производительность и энергосбережение за счет повышения вероятности доступа каждого из ядер процессора к данным из высокопроизводительной и эффективной подсистемы кэш-памяти.
Технология Intel Smart Memory Access повышает производительность системы за счет более эффективного использования системной шины и сокращения времени доступа к памяти. Технология Intel Smart Memory Access включает важную новую технологий разрешения противоречий памяти Memory Disambiguation, повышающую эффективность внеочередной обработки команд за счет предоставления встроенных интеллектуальных ресурсов для упреждающей загрузки данных для команд, выполняемых до выполнения всех предыдущих команд. Прочитайте статью (PDF, 187 КБ) о технологии Smart Memory Access в разделе Внедряйте и изучайте на этой странице.
Технология Intel Advanced Digital Media Boost обеспечивает значительное повышение производительности при выполнении команд Streaming SIMD Extension (SSE/SSE2/SSE3). Эти команды ускоряют работу ряда приложений, в том числе приложений для работы с видео, решений телефонии, приложений для работы с графикой, программ для обработки фотографий, решений шифрования, а также финансовых, инженерных и научных приложений. Технология Intel Advanced Digital Media Boost поддерживает полное выполнение этих 128-разрядных команд по одной за тактовый цикл, фактически удваивая скорость исполнения по сравнению с решениями предыдущих поколений.
Микроархитектура Intel® Core™ следующего поколения построена на базе 45-нанометровой производственной технологии Intel® с использованием диэлектриков Hi-k и металлических затворов. В этой технологии плотность размещения транзисторов примерно в два раза превышает плотность размещения транзисторов в 65-нанометровой производственной технологии. Таким образом, в 45-нанометровой производственной технологии на такой же площади кристалла используется в два раза больше транзисторов. Число транзисторов в двухъядерных процессорах достигает более 400 миллионов и более 800 миллионов в четырехъядерных процессорах. 45-нанометровая производственная технология Intel® обеспечивает значительное повышение производительности, увеличение объема кэш-памяти 2 уровня до 50% и достижение рекордных показателей энергосбережения.
В 45-нанометровой производственной технологии Intel используется новое сочетание материалов диэлектрика high-k на базе гафния и металлических затворов. Благодаря этому инновационному решению 45-нанометровая производственная технология стала крупным технологическим прорывом. Инновационное сочетание материалов позволяет решить проблему сокращения уровня утечки тока транзисторов, которая становится для производителей все более критичной по мере уменьшения размеров транзисторов.
Новый прорыв в области создания транзисторов позволит корпорации Intel и дальше разрабатывать процессоры для ПК, ноутбуков и серверов, отличающиеся рекордной производительностью. Это также подтверждает тот факт, что закон Мура, аксиома отрасли высоких технологий, гласящая, что число транзисторов удваивается каждые два года, расширяя функциональные возможности и одновременно сокращая стоимость продукции, продолжает действовать и в наступившем десятилетии.
На основе микроархитектуры Intel® Core™ построены новые многоядерные процессоры Intel® для настольных ПК, мобильных ПК и серверов массовой категории. Эта современная многоядерная архитектура со множеством инновационных характеристик определяет новые стандарты энергоэкономичности и производительности.
Конвейер
В
основе архитектуры любого процессора
есть несколько конструктивных элементов:
кеш команд и данных,
предпроцессор (Front End)
постпроцессор (блок исполнения команд (Execution Engine)
Конве́йер — это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени). Применительно к процессорам является технологией, используемой при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств для увеличения их пропускной способности в отношении инструкций (количеству инструкций, которые могут быть выполнены за опредёленный временной промежуток).
Идея заключается разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий, с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.
Проект IBM предложил термины «получение» (англ. «Fetch»), «расшифровка» (англ. «Decode») и «выполнение» (англ. «Execute»), которые затем стали общеупотребимыми.
Многие современные процессоры управляются тактовым генератором. Процессор внутри состоит из логических элементов и ячеек памяти — триггеров. Когда приходит сигнал от тактового генератора, триггеры приобретают своё новое значение и логике требуется некоторое время для декодирования новых значений. Затем приходит следующий сигнал от тактового генератора, триггеры принимают новые значения, и так далее. Разбивая последовательности логических элементов на более короткие и помещая триггеры между этими короткими последовательностями уменьшают время, необходимое логике для обработки сигналов. В этом случае длительность одного такта процессора может быть соответственно уменьшена.
Результат выполнения инструкций будет точно таким, как если бы каждая инструкция заканчивала выполняться до начала выполнения следующей за ней. Использование конвейера сохраняет справедливость этого предположения, однако не обязательно сохраняет порядок выполнения инструкций.
Бесконвейерная архитектура значительно менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных модулей процессора
Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку различных инструкций на различных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.
Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере обработка инструкции может быть представленя пятью стадиями. Для обеспечения полной загрузки этот конвейер должен обрабатывать параллельно четыре последовательных независимых инструкции в то время, пока заканчивается обработка первой инструкции.
Конвейер помогает не во всех случаях. Существует несколько возможных минусов. Конвейер инструкций можно назвать "полностью конвейерным", если он может принимать новую инструкцию каждый машинный цикл. Иначе в конвейер должны быть вынужденно вставлены задержки (пустые такты), которые выровняют конвейер, при этом ухудшат его производительность.
Общий конвейер с четырьмя стадиями работы:
Выборка (англ. Fetch)
Раскодирование (англ. Decode)
Выполнение (англ. Execute)
Запись результата (англ. Write-back)
Процесс исполнения программного кода состоит при этом из следующих этапов, стадий, ступеней:
инструкции и данные забираются из кеша L1;
выбранные инструкции декодируются в машинные команды;
декодированные команды поступают в исполнительные блоки процессора и исполняются;
результаты записываются в ОЗУ.
Обработка программного кода может включать в себя конвейеры 20 ступеней (как, например, в Intel Pentium 4). Поздние ядра Pentium 4 с кодовыми именами «Prescott» и «Cedar Mill» (и их Pentium D-производные) имеют 31-уровневый конвейер. Обратной стороной медали в данном случае является необходимость сбрасывать полностью весь конвейер в случае, если ход программы изменился (например, по условному оператору). Эту проблема решается предсказателями переходов (англ. en:Branch predictor).
Высокая пропускная способность конвейеров оборачивается тормозами в случае, если в исполняемом коде содержится много условных переходов: процессор не знает, откуда читать следующую инструкцию, и поэтому вынужден ждать, когда закончится инструкция условного перехода, оставляя за ней пустой конвейер. После того, как ветка будет пройдена и станет известно, куда процессору необходимо переходить в дальнейшем, следующая инструкция должна будет пройти весь путь через конвейер перед тем, как результат становится доступным и процессор снова «работает». В крайнем случае, производительность конвейерного процессора может теоретически упасть до производительности бесконвейерного, или даже быть хуже за счет того, что будет занят только один уровень конвейера и между уровнями присутствует небольшая задержка.
Из-за конвейера процессора, код, который загружает процессор, не будет исполнен мгновенно. Из-за этого, обновления в коде, которые находятся очень близко к текущему месту исполнения программы, могут пройти незамеченными из-за того, что код уже предзагружен в en:Prefetch Input Queue. Кэш инструкций еще больше усугубляют эту проблему. Стоит учитывать, что данная проблема присутствует только в самомодифицирующихся программах, а также в упаковщиках исполняемых файлов.
Основные характеристики процессора
Тактовая частота — длительность периода колебаний тактового генератора, тактом можно условно назвать одну стадию..
Разрядность. Современные процессоры 64 разрядные. В общем виде разрядность определяет максимальный объем ОЗУ., например, 4 Гбайт оперативной памяти для 32 разрядного процессора..
Кэш процессора.: Кэш первого уровня самый быстрый, но самый маленький, второго — помедленней, но побольше и кэш третьего уровня самый медленный и самый большой(если он есть)
Технический процесс (технология). Современные процессоры на основе 45 нм техпроцесса.
Socket –параметр стандартизации процессоров по разъемам подключения к материнской плате.