Процессоры

чисел с плавающей точкой) и может обрабатывать по две команды каждого типа

за такт. Он имеет четырехступенчатый конвейер команд, который "питает"

отдельные конвейеры для целых чисел, чисел с плавающей точкой и конвейер

памяти. По сравнению с прочими RISC-процессорами нового поколения чип 21164

имеет относительно глубокие и простые конвейеры, что позволяет запускать их

с более высокой тактовой частотой.

Конвейер команд вообще не заботится о их зависимости по данным (в

отличие от pentium Pro, который является ярким примером машины данных), он

выдает команды в порядке их поступления на свой вход (в порядке следования

по программе). Если текущие четыре команды невозможно послать сразу все на

различные исполнительные блоки, то конвейер команд останавливается до тех

пор, пока это не станет возможным. В отличие от конкурентов 21164 также не

использует технику переименования регистров, вместо нее он непосредственно

обновляет содержимое своих архитектурных регистров, когда результат

достигает финальной ступени конвейера – write – back. Для борьбы с

задержками и зависимостью команд по данным в процессоре активно

используются маршруты для обхода регистров, поэтому совместно используемые

операнды становятся доступными до стадии write - back.

Компания Digital продвигает Альфу как платформу для серверов Windows

NT, а не как традиционный UNIX-сервер.

4.7. Процессоры Mips.

Mips процессор R1000 унаследовал свой суперскалярный дизайн от R8000,

который предназначался для рынка суперкомпьютеров научного назначения. Но

R1000 ориентирован на массовые задачи. Использование в R1000 динамического

планирования команд, которое ослабляет зависимость от перекомпиляции ПО,

написанного для более старых процессоров, стало возможным благодаря тесным

связям Mips со своим партнером Silicon Graphics, имеющим богатейший тыл в

виде сложных графических приложений.

R1000 первый однокристальный процессор от Mips. Для предотвращения

остановок конвейера в нем использовано динамическое предсказание переходов,

с четырьмя уровнями условного исполнения, с использованием переименования

регистров, гарантирующего, что результаты не будут передаваться в реальные

регистры до тех пор, пока неясность по команде перехода не будет снята.

Процессор поддерживает "теневую карту" отображения своих регистров

переименования. В случае неверного предсказания адреса перехода он просто

восстанавливает эту карту отображения, но не выполняет фактической очистки

регистров и "промывки" буферов, экономя таким образом один такт.

R1000 отличается также радикальной схемой внеочередной обработки.

Порядок следования команд в точном соответствии с программой сохраняется на

трех первых ступенях конвейера, но затем поток разветвляется на три очереди

(где команды дожидаются обработки на целочисленном АЛУ, блоке вычислений с

плавающей точкой и блоке загрузки/записи). Эти очереди уже обслуживаются по

мере освобождения того или иного ресурса.

Предполагаемая производительность R1000, выполненного по КМОП-

технологии с нормами 0.35 микрон должна достичь 300 по SPECint92 и по

SPECfp92.

Программный порядок в конце концов восстанавливается так, что самая

"старая" команда покидает обработку первой. Аппаратная поддержка исполнения

в стиле out – of – order дает большие преимущества конечному пользователю,

так как коды, написанные под старые скалярные процессоры Mips (например,

R4000), начинают работать на полной скорости и не требуют перекомпиляции.

Хотя потенциально процессор R1000 способен выдавать по пять команд на

исполнение в каждом такте, он выбирает и возвращает только четыре, не

успевая закончить пятую в том же такте.

Одно из двух устройств для вычисления двойной точности с плавающей

точкой занято сложениями, а другое умножениями/делениями и извлечением

квадратного корня. Hа кристалле R1000 реализован также интерфейс внешней

шины, позволяющий связывать в кластер до четырех процессоров без

дополнительной логики обрамления.

4.8. Процессоры Hewlett – Packard

Hewlett – Packard процессор PA-8000. Компания Hewlett – Packard

одной из первых освоила RISC-технологию, выйдя еще в 1986 году со своим

первым 32-разрядным процессором PA-RISC. Практически все выпускаемые

процессоры PA-RISC используются в рабочих станциях HP серии 9000. В период

с 1991 по 1993 (перед появлением систем на базе PowerPC) HP отгрузила

достаточно много таких машин, став крупнейшим продавцом RISC-чипов в

долларовом выражении.

С целью пропаганды своих микропроцессоров среди других производителей

систем компания HP стала организатором организации Precision RISC

Organization (PRO). А в 1994 году компания взорвала бомбу, объединившись с

Intel для создания новой архитектуры. Это поставило под сомнение будущее

PRO.

PA-8000 это 64-разрядный, четырехканальный суперскалярный процессор с

радикальной схемой неупорядоченного исполнения программ. В составе

кристалла десять функциональных блоков, включая два целочисленных АЛУ, два

блока для сдвига целых чисел, два блока multiply/accumulate (MAC) для чисел

с плавающей запятой, два блока деления/извлечения квадратного корня для

чисел с плавающей запятой и два блока загрузки/записи. Блоки МАС имеют

трехтактовую задержку и при полной загрузке конвейера на обработке

одинарной точности обеспечивают производительность 4 FLOPS за такт. Блоки

деления дают 17-тактовую задержку и не конвейеризированы, но они могут

работать одновременно с блоками МАС.

В PA-8000 использован буфер переупорядочивания команд (IRB) глубиной

56 команд, позволяющий "просматривать" программу на следующие 56 команд

вперед в поисках таких четырех команд, которые можно выполнить параллельно.

IRB фактически состоит из двух 28-слотовых буферов. Буфер АЛУ содержит

команды для целочисленного блока и блока плавающей точки, а буфер памяти -

команды загрузки/записи.

Как только команда попадает в слот IRB, аппаратура просматривает все

команды, отправленные на функциональные блоки, чтобы найти среди них такую,

которая является источником операндов для команды, находящейся в слоте.

Команда в слоте запускается только после того, как будет распределена на

исполнение последняя команда, которая сдерживала ее. Каждый из буферов IRB

может выдавать по две команды в каждом такте, и в любом случае выдается

самая "старая" команда в буфере. Поскольку PA-8000 использует

переименование регистров и возвращает результаты выполнения команд из IRB в

порядке их следования по программе, тем самым поддерживается точная модель

обработки исключительных ситуаций.

HP проектировала РА-8000 специально для задач коммерческой обработки

данных и сложных вычислений, типа генной инженерии, в которых объем данных

настолько велик, что они не умещаются ни в один из мыслимых

внутрикристалльных КЭШей. Вот почему, РА-8000 полагается на внешние

первичные КЭШи команд и данных. Слоты в третьем 28-слотовом буфере, который

называется буфером переупорядочивания адресов (Adress – Recorder Buffer -

ARB), один к одному ассоциированы со слотами в буфере памяти IRB. В АРВ

содержатся виртуальные и физические адреса всех выданных команд

загрузки/записи. Кроме того, АРВ допускает выполнение загрузок и записей в

произвольном порядке, но с сохранением согласованности и сглаживанием

влияния задержки, связанной с адресацией внешних КЭШей.

4.9. Процессоры Motorola.

Motorola/IBM процессор PowerPC620 это первая 64-битовая реализация

архитектуры PowerPC. Имея 64-битовые регистры и внутренние магистрали

данных и семь миллионов транзисторов, новому процессору требуется почти

вдвое больший и сложный кристалл, чем у PowerPC 604. Модель 620 имеет

четырехканальную суперконвейерную схему с шестью исполнительными

устройствами: три целочисленных АЛУ, блок плавающей точки, блок

загрузки/записи и блок переходов. Последний способен на четырехуровневое

предсказание ветвлений в программе и условное исполнение с использованием

схемы переименования регистров.

ПО микроархитектуре RISC-ядра 620-й похож на 604-й. Отличия сводятся

в основном к ширине регистров и магистралей данных, а также к увеличенному

числу станций резервирования для условного исполнения команд. Прибавка

производительности достигнута за счет улучшенного шинного интерфейса.

Теперь он имеет 128-битовый интерфейс к памяти, по которому за один цикл

обращения можно выбрать два 64-битовых длинных слова, и 40-битовая шина

адреса, по которой можно адресовать до одного терабайта физической памяти.

В состав шинного интерфейса входить также поддержка кэш-памяти

второго уровня объемом до 128 Мбайт, которая может работать на четверти,

половине или на полной скорости ЦПУ.

5. Лабораторные испытания и тестирование микропроцессоров.

5.1. Лабораторные испытания процессоров i386DX.

В 1992 году на рынке появилось три новых МП, способных заместить

существующие 386DX и обеспечить повышение характеристик систем на основе

i386. Это: Intel RapidCAD, Chips& Technologies 38600DX, и Cyrix 486DLC. В

настоящий момент предлагаются только версии 33 МГц, хотя C&T и Cyrix

обещают выпустить в начале 1993 года вариант 40 МГц. Конечно, на такой

частоте можно заставить работать и 33 МГц вариант, но мой опыт показывает,

что это ненадежно, в любой момент машина может зависнуть. Intel RapidCAD

распространяется, как продукт для конечных пользователей, т.е. в машину его

устанавливают именно они. Напротив, C&T и Cyrix поставляют свои процессоры

и производителям. Cyrix также производит процессор 486SLC, заменяющий

Intel/AMD 386SX. C&T объявил о создании процессора 38600SX, но в продаже он

появится только в 1993 году, если вообще появится.

RapidCAD, грубо говоря, представляет собой процессор 486DX без

внутренней кэш-памяти и с цоколевкой процессора 386. Для программ он

соответствует 386 с сопроцессором, так как все специфичные команды i486

удалены из набора команд. Рекламируется этот процессор, как "абсолютный

сопроцессор" и, к чему и обязывает такое имя, он предназначен для замены

процессора 386DX в существующих системах и резкого повышения

производительности операций с плавающей точкой, таких, как CAD, электронные

таблицы, математические программные пакеты (SPSS, Mathematica и т.д.).

RapidCAD состоит из двух корпусов; RapidCAD-1, в корпусе PGA (132 вывода),

устанавливающийся в гнездо для i386, включает в себя ЦПУ и модуль операций

с плавающей точкой, и RapidCAD-2, в корпусе PGA (68 выводов),

устанавливающийся в гнездо для сопроцессора i387, включает в себя ПЛМ,

подающий сигнал на схемы системной платы для правильной обработки особых

ситуаций при операциях с плавающей точкой. Большинство операций исполняется

в течение одного цикла, как и в i486. Однако узким местом является

интерфейс шины 386, так как каждый цикл шины равен двум циклам процессора.

Это значит, что команды выполняются быстрее, чем считываются из памяти.

Поскольку операции с плавающей точкой выполняются медленнее обычных команд,

то замедление на них не сказывается, и они выполняются с такой же

скоростью, как и на i486DX. Именно поэтому RapidCAD позволяет получить

более высокие характеристики с плавающей точкой, чем любая комбинация

386/387. Результаты теста SPEC, стандартного теста для машин под UNIX,

показывают, что RapidCAD ускоряет операции с плавающей точкой на 85%, а с

целыми числами - на 15% по сравнению с любой комбинацией 386/387 при

одинаковой тактовой частоте. Потребляемая мощность при 33 МГц составляет

3500 мВт. Текущая цена RapidCAD 33 МГц составляет 300$.

Предполагается, что процессор фирмы C&T 38600DX полностью совместим с

i386DX. В отличие от процессора Am386 фирмы AMD, который использует

микрокод, идентичный микрокоду Intel 386, в процессоре 38600DX использован

патентно чистый микрокод, для обеспечения полной совместимости в набор

команд даже включена недокументированная команда LOADALL386. Некоторые

команды выполняются быстрее, чем в i386. C&T также выпустила процессор

38605DX, включающий кэш-память команд на 512 байт, что еще более повысит

его производительность. К сожалению, 38605DX выпускается в корпусе PGA (144

вывода) и не может быть установлен непосредственно в разъем i386DX. При

проведении испытаний я заметил, что у 38600DX есть серьезные проблемы

коммуникации ЦПУ- сопроцессор, и из-за этого скорость выполнения в

большинстве программ операций с плавающей точкой у него падает ниже уровня

i386/i387. Эта проблема существует для всех производимых на настоящий

момент 387- совместимых сопроцессоров (ULSI 83C87, IIT 3C87, Cyrix EMX87,

Cyrix 83D87, Cyrix 387+, C&T 38700, Intel 387DX). Мой знакомый по сети тоже

проводил такие тесты с 38700DX и пришел к аналогичным выводам. Он связался

с C&T, и ему ответили, что знают об этом. Средняя потребляемая мощность

38600DX 40 МГц - 1650 Мвт, что меньше, чем потребление i386 33 МГц. Текущая

цена 38600DX 33 МГц - 80$.

Процессор Cyrix 486DLC - последняя новинка на рынке заменителей

i386DX. Набор его команд совместим с i486SX, установлена 1 КВ кэш-память и

аппаратно реализованный 16х16 бит умножитель. Исполнительное устройство

486DLC, созданное с использованием некоторых принципов RISC, выполняет

большинство команд за один цикл. Аппаратный умножитель перемножает 16-

разрядные значения за 3 цикла, вместо 12 - 25 циклов у i386DX. Это особенно

удобно при вычислении адресов (код, генерируемый некоторыми

неоптимизирующими компиляторами, может содержать много команд MUL для

доступа к массивам) и для программных вычислений с плавающей точкой (напр.,

при эмуляции сопроцессора). Внутренняя кэш-память представляет собой

объединенную память команд и данных сквозной записи, и может быть

конфигурирована, как память с прямым отображением, или как 2-канальная

ассоциативная. Из-за необходимости обеспечения полной совместимости после

перезагрузки процессора кэш-память отключается, и должна быть включена с

помощью небольшой программы, предоставляемой фирмой Cyrix. Если кэш-память

включена при загрузке, (напр., при "горячей" перезагрузке, Ctrl – Alt –

Del) , BIOS моего РС (пр- ва AMI) зависает при загрузке, и мне приходится

либо выполнять рестарт процессора, либо отключать кэш перед перезагрузкой.

Это одна из причин того, что после запуска процессора кэш-память

отключается. Я уверен, что в следующих версиях BIOS фирмы AMI это будет

учтено и встроенная кэш-память будет поддерживаться. Кэш-память помогает

процессору 486DLC преодолеть ограничения интерфейса шины 386, хотя процент

попаданий составляет не более 50%. Фирма Cyrix предусмотрела некоторые

возможности управления кэш-памятью процессора, что, конечно, улучшит связь

внешней и внутренней кэш-памяти. Современные системы 386 не воспринимают

эти управляющие сигналы, не имеющие значения для i386DX, но в дальнейшем

системы, разработанные с учетом этих возможностей 486DLC, могут

использовать их. Встроенный кэш 486DLC допускает до 4-х некэшируемых

областей памяти, что может быть очень полезно в том случае, если ваша

система использует периферийные устройства, отображаемые в память (напр.,

сопроцессор Weitek). В существующих системах 386 пересылки DMA (напр., SCSI

контроллера, платы звука) могут отключить внутренний кэш, так как не

существует других способов обеспечить соответствие кэш-памяти и основной

памяти, что, конечно, снижает характеристики 486DLC. Потребляемая мощность

486DLC 40 МГц - 2800 Мвт. Немецкий дистрибьютор продает 486DLC 33 МГц по

текущей цене 115$. 486DLC работает далеко не со всеми сопроцессорами и не

во всех обстоятельствах, особенно критичен в этом отношении многозадачный

защищенный режим (улучшенный режим MS- Windows). При использовании 486DLC

совместно с Cyrix EMC87, Cyrix 83D87 (выпуск до августа 1992) и IIT 3C87

машина зависает из-за проблем синхронизации между ЦПУ и сопроцессором при

исполнении команд FSAVE и FRSTOR, сохраняющих и восстанавливающих состояние

сопроцессора при переключении задач. Лучше всего использовать 486DLC с

Cyrix 387+ (распространяется только в Европе) или Cyrix 83D87 выпуска после

июля 1992, являющийся наиболее мощным сопроцессором среди совместимых

сопроцессоров 486DLC. Если у вас уже есть сопроцессор Cyrix 83D87, и вы

хотите знать, совместим ли он с 486LCD, я рекомендую вам мою программу

COMPTEST, распространяемую как CTEST257.ZIP через анонимные ftp из

garbo@uwasa.fi или другие ftp-серверы. Если программа сообщит о

сопроцессоре 387+, то у вас установлен либо 387+, либо аналогичная новая

версия 83D87 и проблем с совместимостью не будет.

При испытаниях использовалась система:

Аппаратная конфигурация: 33,3/40 МГц системная плата, комплект микросхем

Forex, кэш 128 КВ с нулевым состоянием ожидания, прямое отображение,

сквозная запись, один буфер записи, 4 байта на строку, 4 цикла задержки при

кэш-промахе. 8 МВ основной памяти, среднее состояние ожидания 1,6 цикла.

BIOS фирмы AMI. Процессор Cyrix EMC87 в режиме совместимости 387, как

матсопроцессор. Этот процессор вместе с Cyrix 83D87/387+ являются самыми

быстрыми сопроцессорами для работы с 386DX/486DLC/38600DX. Жесткий диск

Conner 3204F, емкость 203 МВ, интерфейс IDE (пропускная способность по

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8