Архитектура ЦП Pentium

Эволюция центральных процессоров Intel – от первого 16-разрядного Intel 8086 до Pentium IV – составила значительное число шагов. Основные вехи этой эволюции отражены в табл. 3.1. Первой существенной вехой явилось расширение разрядности внутренних регистров ЦП с 16 до 32 и увеличение адресного пространства до 4 Гбайт при переходе к ЦП Intel 80386. Немаловажным явилось событие в размещении на одном кристалле ЦП и АП, а также появление внутренней кэш-памяти у ЦП Intel 80486.

Кэш первого уровня процессора Intel 80486 имеет четырехканальную структуру (рис. 3.1). Каждый канал состоит из 128 строк по 16 байт в каждой. Одноименные строки всех четырех каналов образуют 128 наборов из четырех строк, каждый из которых обслуживает свои адреса памяти. Каждой строке соответствует 21-разрядная информация об адресе скопированного в нее блока системной памяти. Эта информация называется тегом (tag) строки.

Рис. 3.1. Структура внутреннего кэша ЦП Intel 80486

Кроме того, в состав кэша входит так называемый диспетчер, то есть область памяти с организацией 128 х 7, в которой хранятся 4-битные теги действительности (достоверности) для каждого из 128 наборов и 3-битные коды LRU (Least Recently Used) для каждого из 128 наборов. Тег действительности набора включает в себя 4 бита достоверности каждой из 4 строк, входящих в данный набор. Бит достоверности, установленный в единицу, говорит о том, что соответствующая строка заполнена; если он сброшен в нуль, то строка пуста. Биты LRU говорят о том, как давно было обращение к данному набору. Это нужно для того, чтобы обновлять наименее используемые наборы.

Адресация кэш-памяти осуществляется с помощью 28 разрядов адреса. Из них 7 младших разрядов выбирают один из 128 наборов, а 21 старший разряд сравнивается с тегами всех 4 строк выбранного набора. Если теги совпадают с разрядами адреса, то получается ситуация кэш-попадания, а если нет, то ситуация кэш-промаха.

В случае цикла чтения при кэш-попадании байт или слово читаются из кэш-памяти. При кэш-промахе происходит обновление (перезагрузка) одной из строк кэш-памяти. В случае цикла записи при кэш-попадании производится запись как в кэш-память, так и в основную системную память. При кэш-промахе запись производится только в системную память, а обновление строки кэш-памяти не производится. Эта строка становится недостоверной (ее бит достоверности сбрасывается в нуль).

Такая политика записи называется сквозной или прямой записью (Write Through). В более поздних моделях процессоров применяется и обратная запись(Write Back), которая является более быстрой, так как требует гораздо меньшего числа обращений по внешней шине. При использовании обратной записи в основную память записываемая информация отправляется только в том случае, когда нужной строки в кэше нет. В случае же попадания модифицируется только кэш. В основную память измененная информация попадет только при перезаписи новой строки в кэш. Прежняя строка при этом целиком переписывается в основную память, и тем самым восстанавливается идентичность содержимого кэша и основной памяти.

В случае, когда требуемая строка в кэше не представлена (ситуация кэш-промаха), запрос на запись направляется на внешнюю шину, а запрос на чтение обрабатывается несколько сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, то выполняется цикл заполнения целой строки кэша (16 байт из памяти переписывается в одну из строк набора, обслуживающего данный адрес). Если затребованные данные не укладываются в одной строке, то заполняется и соседняя строка.

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только данные считываются из памяти, а дальнейшее заполнение строки может идти параллельно с обработкой данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка, заполнена будет именно она. Если же свободных строк нет, заполняется строка, к которой дольше всех не обращались. Для этого используются биты LRU, которые модифицируются при каждом обращении к строке данного набора. Кроме того, существует возможность аннулирования строк (объявления их недостоверными) и очистки всей кэш-памяти. При сквозной записи очистка кэша проводится специальным внешним сигналом процессора, программным образом с помощью специальных команд, а также при начальном сбросе – по сигналу RESET. При обратной записи очистка кэша подразумевает также выгрузку всех модифицированных строк в основную память.

Появление процессора Pentium MMX (Multi Media Extension), существенно расширило систему команд ЦП, введением специальных команд для нужд мультимедийных приложений. Этот процессор положил начало новой технологии обработки данных – SIMD (Single Instruction Multiply Data), при которой одна команда обрабатывает параллельно несколько данных.

Выпуск процессора Pentium III, также добавил большое число новых команд для потоковой обработки чисел с плавающей запятой. Эта новация носит название SSE (Streaming SIMD Extention) – потоковое SIMD расширение.

Наконец, большие успехи в технологии изготовления кристаллов микросхем позволили практически на порядок повысить их сложность, благодаря чему появился процессор Pentium IV, обладающей внутренней двухуровневой КЭШ памятью и достигшему в настоящее время огромного быстродействия, превышающего 3 ГГц.

Таблица 3.1

Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium IV, получила собственное название: «архитектура NetBurst (пакетно-сетевая)». Архитектура процессора Pentuim IV представлена на рис. 3.2.