Декодеры и конвейеры

Подробности

Родительская категория: Процессоры

Категория: Архитектура AMD64

Процессор архитектуры К8 получил совершенно новый декодер х86-команд, что обусловлено необходимостью обработки инструкций AMD64, поддерживающих 64-битные приложения. Не секрет, что внутренняя система команд современных процессоров х86 разительно отличается от внешней. Внешние команды для любого х86-процессора одинаковы. Но практически одинаковый программный код внутри процессоров раскладывается на совершенно разные простые инструкции, что хорошо заметно при сравнении архитектуры К8 и Pentium 4.

Инженеры AMD и Intel выбрали различные пути достижения максимальной производительности. В концепции Intel преимущество отдано решениям, облегчающим повышение рабочей частоты процессора. В концепции AMD выражена приверженность к увеличению числа исполняемых за такт инструкций. Понятно, что различия между микропроцессорными архитектурами этих фирм напрямую следуют из концепции, закладываемой в архитектуру.

В архитектуре Pentium 4 базовая концепция основана на переводе х86-инструкций в более регулярные, «RISC-подобные» микрооперации фиксированной длины. Процессор старается держать как можно больше «переведенных» команд в Trace Cache, который хранит до 12 000 микроопераций. Декодеры работают асинхронно с исполнительными конвейерами. Естественно, что подготовленные микроинструкции исполняются более эффективно и с большим темпом, нежели нерегулярные и весьма разнообразные по форме х86 -инструкции.

В архитектуре К8 информация о границах очередной инструкции записывается в специальный массив Decode Array. Сама инструкция под вергается дальнейшим преобразованиям во внутренний формат. Каждому байту х86-инструкции, находящейся в кэше команд, соответствуют три бита, хранящиеся в Decode Array. Эта запись содержит информацию о том, является ли данный байт первым (последним) байтом инструкции, является ли он префиксом, следует ли направлять инструкцию по особому пути декодирования.

Таким образом, Pentium 4 сохраняет результат работы декодера (микрооперацию), а К8 — полезную информацию, существенно облегчающую повторное декодирование. Отсюда следует, что для того чтобы система К8 могла использовать все преимущества большого кэша команд, она должна обладать совершенным механизмом повторного декодирования. Такой механизм реализован в декодере следующим образом.

Внешние инструкции на завершающих этапах работы декодера «переводятся» в специальные внутренние команды — макрооперации (тОР). Большинству х86-инструкций соответствует одна макрооперация, некоторые инструкции преобразуются в две или три тОР, а наиболее сложные, например деление или тригонометрические функции, — в последовательность из нескольких десятков тОР. Макрооперации имеют фиксированную длину и регулярную структуру.

Макрооперация в определенный момент раскладывается на две простейшие микрооперации (ROP), одновременно посылаемые на исполнение функциональным элементам процессора (ALU или FPU). Для этого тОР содержит всю необходимую для запуска двух команд информацию, включая служебную. Объединение ROP в макрооперации позволяет сократить количество перемещаемых блоков данных и число промежуточных операций записи/считывания результата. При этом ROP направляются на исполнение в том порядке, который окажется наиболее удобным, а не в том, какой задан в выполняемой программе. Поэтому нередки ситуации, когда ROP выполняются вперемешку, безотносительно к их принадлежности одному тОР.

Если добавить параллельные каналы, то на каждый можно направить по макрооперации. В процессорах архитектуры К8 используется три симметричных канала, каждый из которых имеет пару функциональных устройств. В результате одновременно работают сразу шесть функциональных устройств. Каждый канал разветвляется: в зависимости от того, какие значения обрабатывает инструкция, тОР пойдет либо по направлению к целочисленным блокам, либо — к блокам обработки действительных чисел, либо на блок вычисления адреса (AGU). То есть в архитектуре К8 имеется десять функциональных устройств: три ALU, три FPU, три AGU (вычисления адреса) и отдельный блок умножения.

Группировка операций продолжается и на более высоком уровне.

Группу образуют три тОР, которые одновременно запускаются на параллельных каналах. Вся дальнейшая работа идет с «тройками» тОР, образующих «линию» (Line). Такая «линия» воспринимается центральным управляющим блоком процессора как единое целое: все основные действия выполняются именно над группой «Line». Так, под «линию» одним приемом выделяется группа из трех позиций в очередях (как мы помним, у каждого канала своя очередь). Точно так же одновременно происходит освобождение ресурсов после исполнения, сопровождающееся окончательной записью результатов в регистры. Эту архитектуру компания AMD характеризует как «line-oriented», она является предметом законной гордости корпорации и принципиально отличается от архитектуры Pentium 4.

Контроллер памяти

Подробности

Родительская категория: Процессоры

Категория: Архитектура AMD64

Интегрированный контроллер памяти микроархитектуры К8 — уникальное явление среди процессоров для настольных систем. Во всех остальных вариантах (Pentium 4, Celeron, Pentium M, AthlonXP, Sempron) контроллер памяти размещается в микросхеме набора системной логики. Внедрение контроллера в архитектуру процессора позволило лучше согласовать возможности процессорного ядра и памяти. В оптимальном варианте пропускная способность памяти должна быть больше максимального потока данных, обрабатываемых процессором, а задержки (латентность) памяти должны быть минимальными.

Что касается пропускной способности, то процессор Athlon 64 (Socket 939) с частотой 1400 МГц в 32-битном режиме выдает «на гора» поток данных до 5,6 Гбайт/с. Двухканальная память DDR400 обеспечивает пропускную способность 6,4 Гбайт/с. В этом аспекте проблем не возникает. Но каковы задержки обращения к памяти? Оказывается, всего 65 тактов. То есть время доступа к памяти составляет 33 наносекунды. Это намного меньше показателей, демонстрируемых классическими чипсетами с интегрированным контроллером памяти. Например, платформа Pentium 4 + i925 + dual channel DDR400, самая быстрая среди конкурентов, обеспечивает время доступа к памяти 63 наносекунды.

Благодаря небольшим задержкам контроллер процессора Athlon 64 обеспечивает эффективность памяти до 96% от теоретической пропускной способности, что с лихвой покрывает потребности платформы. В целом эффективность встроенного контроллера можно охарактеризовать как великолепную. Впервые архитектура процессоров AMD обеспечивает равные или лучшие по сравнению с процессорами Intel показатели эффективности памяти.