3 Эволюция микропроцессорных систем

3.1 Основные направления развития

Несмотря на то, что сегодня известно множество способов повышения производительности микропроцессоров с суперскалярной архитектурой, имеется также ряд препятствий и ограничений, исключающих возможность дальнейшего наращивания быстродействия. В данной главе показаны способы повышения производительности суперскалярных микропроцессоров на примере архитектур Alpha 21364 и Power4. Разбираются вопросы перехода к принципиально новой, так называемой мультитредовой архитектуре, позволяющей существенно изменить возможности нынешних микропроцессоров.

История развития микропроцессоров в полной мере подчиняется диалектике эволюционного усовершенствования архитектуры. Начиная от машины ENIAC, содержавшей 19 тыс. ламп, производительность компьютеров росла на порядок каждые пять лет. Большое число транзисторов на современном кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные способы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью. Однако для полного использования возможностей аппаратуры уже недостаточно ограничиться только аппаратно реализованными алгоритмами управления, достаточно единообразно функционирующими во всех ситуациях. Поэтому при реализации усложненной логики управления используется программное обеспечение, для поддержки которого вводятся дополнительные команды и регистры управления микропроцессора. В свою очередь, формирование программ для потактного управления микропроцессором под силу только компилятору. Таким образом, в современных микропроцессорах возник симбиоз программных и аппаратных средств. Этот симбиоз представляет собой нечто большее, нежели эволюционный ход развития, а смену самого направления развития микропроцессоров, выражающуюся в переходе к мультитредовым и многопроцессорным архитектурам.

С позиции реализации такого симбиоза открываются следующие способы повышения производительности:

увеличение емкости памяти внутри кристалла;

увеличение количества арифметико-логических устройств;

введение блоков обработки мультимедийных данных, ранее использовавшихся, например, в сигнальных микропроцессорах;

интеграция на кристалле функций управления памятью и периферийными устройствами, для исполнения которых в традиционных микропроцессорах используются наборы микросхем («чипсеты»);

интеграция на кристалле интерфейсов сетевых и телекоммуникационных систем, что позволяет соединять эти микропроцессоры друг с другом и телекоммуникационными и вычислительными сетями без дополнительных адаптеров.

3.2 Увеличение объема внутрикристальной памяти

3.2.1 Организация внутрикристальной памяти

Современное состояние микроэлектроники характеризуется растущим разрывом между скоростью обработки данных в микропроцессорах и быстродействием внекристальной оперативной памяти. Можно уже говорить о том, что время выполнения однотактной команды микропроцессора на порядок и более меньше времени доступа к памяти вне кристалла. В таких условиях прибегают к построению многоуровневой иерархической памяти с использованием внутрикристальной кэш-памяти и применению мультитредовой архитектуры МТА, в которой задержка доступа в память в одном процессе «скрывается» за временем выполнения других процессов.

Кроме того, для уменьшения разрыва в быстродействии между процессором и памятью существует технология встроенной памяти DRAM, позволяющая в едином производственном цикле формировать на одном кристалле логические схемы и схемы динамической памяти. Следует отметить, что идея создания однокристального компьютера всегда была популярной, и сегодня проблема размещения на одном кристалле встраиваемого блока памяти EDRAM (embedded DRAM) достаточно большой емкости и микропроцессорного ядра близка к своему решению

3.2.2 Кэш-память с несколькими уровнями

Постоянный рост емкости кэш-памяти микропроцессора сопровождался усложнением процесса управления, что вылилось в переход от кэш-памяти со сквозной записью к кэш-памяти с буферизированной и обратной записями. При этом в микропроцессорах использовалось программное управление режимом записи кэш-строк путем установки бита, переключающего режимы сквозной и обратной записи кэш-строки. Однако в случае промаха в кэш-памяти возрастающий разрыв между временем выполнения команды и временем доступа в память привел к недопустимо большим потерям производительности. Поэтому в микропроцессоры были введены команды управления кэшированием. Например, в Pentium III появились команды нового типа, обеспечивающие: запись данных из регистров в память, минуя кэш; чтение данных из памяти в регистры, минуя кэш; запись данных из памяти выборочно в кэш первого и второго уровня; запись данных из кэш-памяти и буферов записи в память.

Команды упреждающего кэширования позволяют заранее загружать в кэш нужные данные, обеспечивая возможность записи данных в кэш-память различных уровней, что уменьшает задержки, связанные с доступом к основной памяти. Команды записи данных из кэш-памяти и буферов записи позволяют поддерживать когерентность кэш-памяти и основной памяти при выполнении, например, команд упреждающего кэширования. Однако вряд ли прагматично требовать управления кэш-памятью при программировании на языках высокого уровня – распределение памяти всегда было одной из функций компилятора. Тем более логично потребовать чтобы компилятор выполнял управление кэш-памятью, сокращая простои процессора в ожидании данных.