RISC-процесори 3-го покоління
Найбільшими розробниками RISC-процесорів вважаються Sun Microsystems (архітектура SPARC - Ultra SPARC), IBM (багатокристальні процесори Power, однокристальні PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment (Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (сімейство Rxx00 - R 10000), а також Hewlett-Packard (архітектура PA-RISC - PA-8000). Всі RISC-процесори третього покоління: 1. є 64-х розрядними і суперскалярное (запускаються не менше 4-х команд за такт); 2. мають вбудовані конвеєрні блоки арифметики з плаваючою точкою; 3. мають багаторівневу кеш-пам'ять. Більшість RISC-процесорів кешують попередньо дешифровані команди; 4. виготовляються по КМОП-технології з 4 шарами металізації. Для обробки даних застосовується алгоритм динамічного прогнозування розгалужень і метод перепризначення регістрів, що дозволяє реалізувати позачергове виконання команд. Підвищення продуктивності RISC-процесорів досягається за рахунок підвищення тактової частоти і ускладнення схеми кристала. Представниками першого напрямку є процесори Alpha фірми DEC, найбільш складними залишаються процесори компанії Hewlett-Packard.
Розглянемо процесори цих фірм більш докладно. Для прикладу розглянемо кілька таких процесорів: Наприклад: Структура процесорів Alpha: 21064, 21264 Структура процесора Alpha 21064 представлена на рис. 10.1.
Структура процесора Alpha 21064 Основні функціональні блоки процесора Alpha 21064: I-cache - кеш команд. IRF - регістровий файл цілочисельний арифметики. F-box - пристрій арифметики з плаваючою точкою. E-box - пристрій цілочисельний арифметики (7 ступенів конвеєра). I-box - командне пристрій (управляє кеш команд, вибіркою і дешифрацией команд). A-box - пристрій управління завантаженням / збереженням даних. Управляє процесом обміну даними м / у IRF, FRF, кеш даних і зовнішньою пам'яттю. Write Buffer - буфер зворотного запису. D-cache - КЕШ даних. BIU - інтерфейсний блок, за допомогою якого підключаються зовнішня кешпамять, розміром 128 Кб-8 Мб. Порівняльні характеристики Alpha 21164 і 21264 Процесор Alpha 21264 відрізняється значною новизною в порівнянні з попередником 21164. Він володіє кеш-пам'яттю першого рівня більшого обсягу, додатковими функціональними блоками, більш ефективними засобами передбачення розгалужень, новими інструкціями обробки відеоданих і широкої шиною. Alpha 21264 читає до чотирьох інструкцій за один такт і може одночасно виконувати до шести інструкцій. Найбільше його відмінність від моделі 21164 - це здатність виконувати команди (вперше для Alpha) із зміною їх черговості (Out-of-Order). Ефективність виконання Out-of-Order визначається кількістю інструкцій, якими може маніпулювати ЦП в цілях визначення оптимального порядку виконання команд. Чим більше інструкцій ЦП може для цього використовувати, тим краще, тим далі він може заглядати вперед. Процесори Intel класу Р6 (Pentium Pro, Pentium II, Xeon) можуть одночасно звертатися не менш ніж з 40 командами. У інших процесорів даний показник значно більше: PA-8000 фірми HP оперує 56 командами, а процесор Alpha справляється з 80 командами. Як і більшість RISC-процесорів, Alpha містить набір з 32 цілочисельних і 32 регістрів з плаваючою комою, всі вони мають розрядність 64 біта. Для підвищення ефективності позачергового виконання команд процесор 21264 додатково до звичайного набору регістрів забезпечений ще 48 цілочисельними регістрами і 40 регістрами з плаваючою комою. Кожен регістр може тимчасово зберігати значення поточних команд. Якщо обробляється будь інструкція, немає необхідності перевантажувати результат у цільовій регістр - замість цього ЦП просто перейменовує тимчасовий регістр (Register Renaming). Подібне перейменування регістрів є і в інших процесорах. Однак у 21 264 реалізована унікальна "хитрість" - він має задублірованний набір цілочисельних регістрів, кожен з 80 цілочисельних регістрів дублюється ще раз. Таким чином, на чіпі в цілому - 160 цілочисельних регістрів. Це одна з причин, чому, незважаючи на складність виконання Out-of-Order, допустима висока частота процесора 21264.
Блоки цілочисельних операцій в обох групах ідентичні не повністю. Одна з них містить блок множення, а другий - спеціальну логіку для обробки рухомих зображень (MPEG). Для цього набір команд Alpha був доповнений п'ятьма новими командами. Найцікавіша з них - PERR - служить для оцінки руху, тобто виконання завдання, виникає як при стисненні, так і декомпресії MPEG. Команда PERR виконує роботу дев'яти звичайних інструкцій. Таким чином, процесор 21264 може декодувати відеопослідовності MPEG-2, а також DVD-аудіодані AC-3 в режимі реального часу без використання додаткових периферійних пристроїв. У процесорі 21264, на відміну від його попередників практично повністю реорганізована ієрархія кеш-пам'яті. Він забезпечений одним 64-Кбайт кешем першого рівня (L1) для інструкцій і ще одним 64-Кбайт кешем першого рівня для даних; обидва є двократно-асоціативними. Кеш-пам'ять другого рівня (L2) була винесена за межі чіпа - до неї можна звертатися через 128-біт backside-шину. Порівняльні характеристики Alpha 21164 і 21264 наведено в табл. 10.1. Таблиця 10.1. Порівняльні характеристики Alpha 21164 і 21264
|
