Микроархитектуры процессоров. 
Основы электроники

В результате изучения главы 5 студент должен: знать

• • основные виды структур современных микропроцессоров;
• • принципы взаимодействия узлов в современных микропроцессорах;
• • тенденции развития современных микропроцессоров; уметь
• • выполнять сопоставительный анализ работы узлов микропроцессора в разл ичных м и кроархите кту рах;

владеть

• информацией о последних достижениях в области микроархитектуры и технологии процессоров.

Микроархитектура Р6

Развитие микропроцессорной схемотехники — достаточно сложный процесс. Его нельзя описать однозначно, например как постоянное наращивание числа внутренних устройств, рост их сложности. Идеи, которые были положены в основу построения более ранних процессоров, через годы и даже десятилетия могут быть реализованы в новых поколениях. Поэтому для лучшего понимания сути и принципов работы наряду с поколениями МП необходимо также рассматривать их микроархитектуру, т.с. принципы построения, состав основных внутренних устройств и их взаимодействие в процессе выполнения команд программы. Разработчики на основе общих принципов микроархитектуры создают конкретную реализацию процессора для данного технологического процесса. Эта конкретная реализация называется ядром. Микроархитектура описывает лишь общие принципы построения МП, а ядро представляет собой уже реально существующий кристалл с определенным составом и разрядностью внутренних узлов МП. На основе одной и той же микроархитектуры может быть реализовано несколько ядер и даже поколений МП.

Ранее (см. параграф 4.5) рассматривалась микроархитектура МП Intel 8086 (она называлась просто «структура», сам термин «микроархитектура» был введен с появлением процессора Pentium Pro). Со времени его появления в микропроцессорной технике произошло много изменений, усовершенствований, в том числе и в принципах организации работы процессоров, однако наиболее значимые изменения произошли, начиная с процессора Pentium Pro.

Р6 — суперскалярная, суперконвейерная архитектура, разработанная компанией Intel и лежащая в основе МП шестого поколения Pentium Pro,.

Pentium II, Pentium III, Celeron и Xeon. На основе доработанной микроархитектуры P6 в 2003 г. были выпущены процессоры с пониженным энергопотреблением Pentium М. Эта же архитектура была положена в основу двухъядерных процессоров Intel Core 2 Duo, которые появились в 2006 г. и пришли на смену процессорам Pentium 4.

Архитектура МП Intel 8086 была реализована на принципах CISC (Complex Instruction Set Computer — вычислитель с полным набором команд). Полный набор команд этого процессора составлял около 400. Схема его управления (см. рис. 4.12), приняв команду, декодировала ее и формировала последовательность управляющих импульсов для других узлов процессора. Такой же принцип выполнения команд был характерен для последующих процессоров Intel, вплоть до Pentium. Недостаток такого подхода заключается в том, что программы, состоящие из сложных команд, выполняемых за большое число тактов, трудно распараллелить, т. е. выполнять разными процессорными узлами параллельно.

В отличие от процессоров предыдущих поколений с CISC-ядром, процессоры архитектуры Р6 выполняют сложные команды процессоров х86 (т.е. всех предыдущих процессоров Intel, а также других фирм, реализующих тот же набор команд) не напрямую, а предварительно декодируя их в простые внутренние микрооперации (МО), называемые также инструкциями. Такие операции выполняются быстро, а значит, и процесс вычислений легче распараллеливать и выполнять несколькими узлами процессора. Эта концепция проектирования процессоров именуется RISC (Reduced Instruction Set Computer — вычислитель с сокращенным набором команд).

Первым процессором архитектуры Р6 стал Pentium Pro, анонсированный фирмой Intel 1 ноября 1995 г. Его разработка была выполнена под руководством российского ученого В. М. Пентковского — одного из создателей советского суперкомпьютера военного назначения «Эльбрус». При разработке микроархитектуры Р6 использовались архитектурные решения, реализованные в этом проекте. Процессоры Pentium Pro выпускались параллельно с процессорами архитектуры Р5 (Pentium и Pentium MMX). Новый процессор Pentium II был анонсирован 7 мая 1997 г., он реализован, но архитектуре Р6 и пришел на смену процессорам предыдущего, пятого, поколения.