74. Особенности архитектуры процессоров Pentium Pro и Pentium II

Процессоры Pentium Pro и Pentium II включают в себя целый набор средств для ускорения выполнения программ. В них применяется выполнение команд не по порядку, предсказание команд, аппаратное переименование регистров и предсказание переходов.

Выполнение команд

Каждый такт процессора до трех команд может быть прочитан и декодирован на микрооперации из очереди предвыборки. В этот момент работают три декодера, первый из которых может декодировать команды, содержащие до четырех микроопераций, а другие два — только команды из одной микрооперации. Если в ассемблерной программе команды упорядочены в соответствии с этим правилом (4–1–1), то все время на каждый такт будет происходить декодирование трех команд, например, если в последовательности команд

add eax,[ebx] ; 2m - в декодер 0 на первом такте

mov есх,[еах] ; 2m - пауза 1 такт, пока декодер 0

; не освободится

add edx,8 ; 1m - декодер 1 на втором такте

переставить вторую и третью команды, команда add edx,8 будет декодирована в тот же такт, что и первая команда.

Число микроопераций для каждой команды приведено в приложении 2, но можно сказать, что команды, работающие только с регистрами, как правило, выполняются за одну микрооперацию, команды чтения из памяти — тоже за одну, команды записи в память — за две, а команды, выполняющие чтение-изменение-запись, — за четыре. Сложные команды содержат больше четырех микроопераций и требуют несколько тактов для декодирования. Кроме того, команды длиннее семи байт не могут быть декодированы за один такт. В среднем время ожидания в этом буфере составляет около трех тактов.

Затем микрооперации поступают в буфер накопления, где они ждут, пока все необходимые им данные не будут доступны. Затем они посылаются в ядро системы неупорядоченного исполнения, состоящей из пяти конвейеров, каждый из которых обслуживает несколько блоков исполнения. Если все данные для микрооперации готовы и в ядре есть свободный элемент, исполняющий данную микрооперацию, в буфере накопления не будет потрачено ни одного лишнего такта. После выполнения микрооперации скапливаются в буфере завершения, где результаты их записываются, операции записи в память упорядочиваются и микрооперации завершаются (три за один такт).

Время выполнения команд в пяти конвейерах исполнения приведено в таблице 21.

Таблица 21. Конвейеры процессора Pentium Pro/Pentium II

	Время выполнения	Скорость
Конвейер 0
Блок целочисленной арифметики	1	1
Блок команд LEA	1	1
Блок команд сдвига	1	1
Блок целочисленного умножения	4	1
Блок команд FADD	3	1
Блок команд FMUL	5	2
Блок команд FDIV	17 для 32-битных 36 для 64-битных 56 для 80-битных	17 36 56
Блок MMX-арифметики	1	1
Блок MMX-умножений	3	1
Конвейер 1
Блок целочисленной арифметики	1	1
Блок MMX-арифметики	1	1
Блок MMX-сдвигов	1	1
Конвейер 2
Блок чтения	3 при кэш-попадании	1
Конвейер 3
Блок записи адреса	не меньше 3	1
Конвейер 4
Блок записи данных	не меньше 1	1

Указанное в таблице время — это время, требующееся для выполнения микрооперации, а скорость — с какой частотой элемент может принимать микрооперации в собственный конвейер (1 — каждый такт, 2 — каждый второй такт). То есть, например, одиночная команда FADD выполняется за три такта, но три последовательные команды FADD выполнятся также за 3 такта.

Микрооперации чтения и записи, обращающиеся к одному и тому же адресу в памяти, выполняются за один такт.

Существует особая группа синхронизирующих команд, любая из которых начинает выполняться только после того, как завершатся все микрооперации, находящиеся в состоянии выполнения. К таким командам относятся привилегированные команды WRMSR, INVD, INVLPG, WBINVD, LGDT, LLDT, LIDT, LTR, RSM и MOV в управляющие и отладочные регистры, а также две непривилегированные команды — IRET и CPUID. В тех случаях, когда, например, измеряют скорость выполнения процедуры при помощи команды RDTSC (глава 10.2), полезно выполнить одну из синхронизирующих команд, чтобы убедиться, что все измеряемые команды полностью завершились.

Кэш-память

Процессоры Pentium Pro включают в себя 8-килобайтный кэш L1 для данных и 8-килобайтный кэш L1 для кода, а процессоры Pentium II соответственно по 16 Кб, но не все кэш-промахи приводят к чтению из памяти — существует кэш второго уровня — L2, который маскирует промахи L1. Минимальная задержка при промахе в оба кэша составляет 10 – 14 тактов в зависимости от состояния цикла обновления памяти.

Микрооперации чтения и записи могут произойти одновременно, если они обращаются к разным банкам кэша L1.

Очередь предвыборки

Очередь предвыборки считывает прямую линию кода 16-байтными выровненными блоками. Это значит, что следует организовывать условные переходы так, чтобы наиболее частым исходом было бы отсутствие перехода, и что полезно выравнивать команды на границы слова. Кроме того, желательно располагать редко используемый код в конце процедуры, чтобы он не считывался в очередь предвыборки впустую.

Предсказание переходов

Процессор поддерживает 512-байтный буфер выполненных переходов и их целей. Система предсказания может обнаруживать последовательность до четырех повторяющихся переходов, то есть четыре вложенных цикла будут иметь процент предсказания близкий к 100%. Кроме того, дополнительный буфер адресов возврата позволяет правильно предсказывать циклы, из которых происходят вызовы подпрограмм.

На неправильно предсказанный переход затрачивается как минимум девять тактов (в среднем — от 10 до 15). На правильно предсказанный невыполняющийся переход не затрачивается никаких дополнительных тактов вообще. На правильно предсказанный выполняющийся переход затрачивается один дополнительный такт. Именно поэтому минимальное время выполнения цикла на Pentium Pro или Pentium II — два такта, и, если цикл может выполняться быстрее, он должен быть развернут.

Если команда перехода не находится в буфере, система предсказания делает следующие предположения:

безусловный переход предсказывается как происходящий, и на его выполнение затрачивается 5 – 6 тактов;

условный переход назад предсказывается как происходящий, и на его выполнение также затрачивается 5 – 6 тактов;

условный переход вперед предсказывается как непроисходящий. При этом команды, следующие за ним, предварительно загружаются, и начинают исполняться, поэтому не размещайте данные сразу после команды перехода.

75. Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровнейиерархии памяти[1]. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти. Подробнее о задержках памяти см. Задержки (англ. SDRAM latency) SDRAM: tCAS, tRCD, tRP, tRAS.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных, и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (математических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).

Увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность почти всех приложений[2].