26. Микроархитектурные особенности процессоров x86 VI поколений.

Шестое поколение

Процессоры Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Celeron и Xeon.

Введено исполнение с изменением последовательности инструкций. То есть исполнение программы не в том порядке, который задал программист. Логика работы следующая: имеются три основных устройства: выборки-декодирования, диспетчеризации-выполнения и отката. Все эти устройства связаны пулом команд, в котором хранятся микроинструкции. Блок выборки-декодирования выбирает из памяти (или КЭШа команд) исходные CISC-инструкции, декодирует их, расщепляя на микрооперации и превращая их в последовательность коротких RISC-инструкций внутренней кодировки. Внутренних, физических регистров процессора стало много больше, чем программно-видимых, появилась возможность переенования внутренних регистров. То есть внутренние регистры стали универсальными и могли быть любым из программно-видимых регистров.

Устройство диспетчеризации-выполнения выбирает эти RISC-инструкции из пула команд, определяет порядок их выполнения так, чтобы максимально загрузить исполнительные устройства, то есть добиться максимального распараллеливания.

Однако последовательность результатов выполненных команд должна соответствовать порядку, задаваемому программистом (иначе процессор не сможет адекватно выполнять заложенную программистом программу). Устройство отката как раз этим и занимается: упорядочивает результаты выполнения RISC-инструкций и изымает выполненные инструкции из пула. Кроме того, он реагирует на прерывания и промахи в предсказывании переходов. При предсказании переходов используется спекулятивное исполнение, то есть инструкции предсказанной ветви не только декодируются, но и исполняются. Тогда действительно надо «откатываться»: результаты выполнения команд ложной ветви должны быть ликвидированы. Ситуация усложняется, когда в этой ложной ветви были операции записи данных в память. В этом случае для отката при записи необходимо сохранять переписываемую информацию. Все эти архитектурные особенности позволили каждый такт получать в среднем по две выполненные инструкции (опять же, при полной загрузке конвейера). Но чтобы загрузить конвейер, нужно достаточно быстро доставлять инструкции из памяти к процессору. Узким местом в этом случае является системная шина, которая работает на частоте, гораздо меньшей, тактовой частоте процессора. Для решения этой проблемы Intel стал использовать двойную независимую шину. Одна шина – FSB – связывает процессор с системной платой где находится оперативная память, а другая BSB, с вторичным КЭШем, работающая, как правило, на частоте ядра процессора (или вдвое меньшей частоте). Тогда как частота FSB не превышала 133 МГц. Разрядность BSB от 8-32 байт. FSB при этом имеет протокол, отличающийся от протокола системной шины процессора Pentium. Новый протокол системной шины позволял подключать к ней до 4 процессоров, что упростило использования этих процессоров в масштабируемых кластерах.

Процессоры этого поколения фирмы AMD (K-6) использовали старую шину. Появился новый набор инструкций – SSE и 3DNow!. В основном, эти наборы содержат инструкции для реализации SIMD-инструкций на числах с плавающей запятой. Появилась инструкции загрузки данных в кэш и записи в память, минуя кэш. То есть кэш перестал на программном уровне быть полностью прозрачным.

Зародилось сегментирование процессоров на рынке. Intel разработал облегченный дешевый вариант Pentium II – Celeron. Он вначале вообще не имел КЭШа второго уровня, но потом получил облегченный вторичный кэш в 128 Кб, но зато на полной тактовой частоте процессора, тогда как более большой кэш (512 Кбайт) Pentium II работал на половине тактовой частоты процессора. Поэтому в некоторых типичных задачах (например, в игровых приложениях) Celeron даже обгонял Pentium II на аналогичных частотах. Отсюда он получил широкую популярность. Вариант процессора Pentium III Xeon являлся продолжением линии Pentium Pro. Он имеет от 256-2 Мб полноскоростного вторичного КЭШа и позиционируется как серверный вариант.

Pentium II имел частоты от 233-600 МГц, Pentium III 500-1000 МГц.