Процессоры с архитектурой 80x86 и Pentium

В 1978 году была анонсирована архитектура Intel 8086 как совместимое вверх расширение в то время успешного 8-бит микропроцессора 8080.

8086 представляет собой 16-битовую архитектуру со всеми внутренними регистрами, имеющими 16-битовую разрядность. Микропроцессор 8080 был просто построен на базе накапливающего сумматора (аккумулятора), но архитектура 8086 была расширена дополнительными регистрами. Поскольку почти каждый регистр в этой архитектуре имеет определенное назначение, 8086 по классификации частично можно отнести к машинам с накапливающим сумматором, а частично - к машинам с регистрами общего назначения, и его можно назвать расширенной машиной с накапливающим сумматором. Микропроцессор 8086 (точнее его версия 8088 с 8-битовой внешней шиной) стал основой завоевавшей в последствии весь мир серии компьютеров IBM PC, работающих под управлением операционной системы MS-DOS.

В 1980 году был анонсирован сопроцессор плавающей точки 8087. Эта архитектура расширила 8086 почти на 60 команд плавающей точки. Ее архитекторы отказались от расширенных накапливающих сумматоров для того, чтобы создать некий гибрид стеков и регистров, по сути расширенную стековую архитектуру. Полный набор стековых команд дополнен ограниченным набором команд типа регистр-память.

Анонсированный в 1982 году микропроцессор 80286, еще дальше расширил архитектуру 8086. Была создана сложная модель распределения и защиты памяти, расширено адресное пространство до 24 разрядов, а также добавлено небольшое число дополнительных команд. Поскольку очень важно было обеспечить выполнение без изменений программ, разработанных для 8086, в 80286 был предусмотрен режим реальных адресов, позволяющий машине выглядеть почти как 8086. В 1984 году компания IBM объявила об использовании этого процессора в своей новой серии персональных компьютеров IBM PC/AT.

В 1987 году появился микропроцессор 80386, который расширил архитектуру 80286 до 32 бит. В дополнение к 32-битовой архитектуре с 32-битовыми регистрами и 32-битовым адресным пространством, в микропроцессоре 80386 появились новые режимы адресации и дополнительные операции. Все эти расширения превратили 80386 в машину, по идеологии близкую к машинам с регистрами общего назначения. В дополнение к механизмам сегментации памяти, в микропроцессор 80386 была добавлена также поддержка страничной организации памяти. Также как и 80286, микропроцессор 80386 имеет режим выполнения программ, написанных для 8086. Хотя в то время базовой операционной системой для этих микропроцессоров оставалась MS-DOS, 32-разрядная архитектура и страничная организация памяти послужили основой для переноса на эту платформу операционной системы UNIX. Следует отметить, что для процессора 80286 была создана операционная система XENIX (сильно урезанный вариант системы UNIX).

Эта история иллюстрирует эффект, вызванный необходимостью обеспечения совместимости с 80x86, поскольку существовавшая база программного обеспечения на каждом шаге была слишком важной. К счастью, последующие процессоры (80486 в 1989 и Pentium в 1993 году) были нацелены на увеличение производительности и добавили к видимому пользователем набору команд только три новые команды, облегчающие организацию многопроцессорной работы.

Что бы ни говорилось о неудобствах архитектуры 80x86, следует иметь в виду, что она преобладает в мире персональных компьютеров. Почти 80% установленных малых систем базируются именно на этой архитектуре. Споры относительно преимуществ CISC и RISC архитектур постепенно стихают, поскольку современные микропроцессоры стараются вобрать в себя наилучшие свойства обоих подходов.

Появившийся в 1993 году процессор Pentium ознаменовал собой новый этап в развитии архитектуры x86, связанный с адаптацией многих свойств процессоров с архитектурой RISC. Он изготовлен по 0.8 микронной БиКМОП технологии и содержит 3.1 миллиона транзисторов. Первоначальная реализация была рассчитана на работу с тактовой частотой 60 и 66 МГц.

Процессор Pentium по сравнению со своими предшественниками обладает целым рядом улучшенных характеристик. Главными его особенностями являются:

• двухпотоковая суперскалярная организация, допускающая параллельное выполнение пары простых команд;
• наличие двух независимых двухканальных множественно-ассоциативных кэшей для команд и для данных, обеспечивающих выборку данных для двух операций в каждом такте;
• динамическое прогнозирование переходов;
• конвейерная организация устройства плавающей точки с 8 ступенями;
• двоичная совместимость с существующими процессорами семейства 80x86.

Блок-схема процессора Pentium представлена выше. Прежде всего новая микроархитектура этого процессора базируется на идее суперскалярной обработки (правда с некоторыми ограничениями). Основные команды распределяются по двум независимым исполнительным устройствам (конвейерам U и V). Конвейер U может выполнять любые команды семейства x86, включая целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V предназначен для выполнения простых целочисленных команд и некоторых команд с плавающей точкой. Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, причем при выдаче устройством управления в одном такте пары команд более сложная команда поступает в конвейер U, а менее сложная - в конвейер V. Такая попарная выдача команд возможна правда только для ограниченного подмножества целочисленных команд. Команды арифметики с плавающей точкой не могут запускаться в паре с целочисленными командами. Одновременная выдача двух команд возможна только при отсутствии зависимостей по регистрам. При остановке команды по любой причине в одном конвейере, как правило останавливается и второй конвейер.

Остальные устройства процессора предназначены для снабжения конвейеров необходимыми командами и данными. В отличие от процессоров i486 в процессоре Pentium используется раздельная кэш-память команд и данных емкостью по 8 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений. За один такт из каждой кэш-памяти могут считываться два слова. При этом кэш-память данных построена на принципах двухкратного расслоения, что обеспечивает одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке кэш-памяти. Кэш-память команд хранит сразу три копии тегов, что позволяет в одном такте считывать два командных слова, принадлежащих либо одной строке, либо смежным строкам для обеспечения попарной выдачи команд, при этом третья копия тегов используется для организации протокола наблюдения за когерентностью состояния кэш-памяти. Для повышения эффективности перезагрузки кэш-памяти в процессоре применяется 64-битовая внешняя шина данных.

В процессоре предусмотрен механизм динамического прогнозирования направления переходов. С этой целью на кристалле размещена небольшая кэш-память, которая называется буфером целевых адресов переходов (BTB), и две независимые пары буферов предварительной выборки команд (по два 32-битовых буфера на каждый конвейер). Буфер целевых адресов переходов хранит адреса команд, которые находятся в буферах предварительной выборки. Работа буферов предварительной выборки организована таким образом, что в каждый момент времени осуществляется выборка команд только в один из буферов соответствующей пары. При обнаружении в потоке команд операции перехода вычисленный адрес перехода сравнивается с адресами, хранящимися в буфере BTB. В случае совпадения предсказывается, что переход будет выполнен, и разрешается работа другого буфера предварительной выборки, который начинает выдавать команды для выполнения в соответствующий конвейер. При несовпадении считается, что переход выполняться не будет и буфер предварительной выборки не переключается, продолжая обычный порядок выдачи команд. Это позволяет избежать простоев конвейеров при правильном прогнозе направления перехода. Окончательное решение о направлении перехода естественно принимается на основании анализа кода условия. При неправильно сделанном прогнозе содержимое конвейеров аннулируется и выдача команд начинается с необходимого адреса. Неправильный прогноз приводит к приостановке работы конвейеров на 3-4 такта.

Современные процессоры Intel использование технических решений, широко применяющиеся при построении RISC-процессоров:

• выполнение команд не в предписанной программой последовательности, что устраняет во многих случаях приостановку конвейеров из-за ожидания операндов операций;
• использование методики переименования регистров, позволяющей увеличивать эффективный размер регистрового файла (малое количество регистров - одно из самых узких мест архитектуры x86);
• расширение суперскалярных возможностей по отношению к процессору Pentium, в котором обеспечивается одновременная выдача только двух команд с достаточно жесткими ограничениями на их комбинации.

Новые процессоры очень быстрое RISC-ядро, выполняющее высокорегулярные операции в суперскалярном режиме. Внутренние форматы команд (соответствуют традиционным системам команд RISC-процессоров. Все команды имеют одинаковую длину и кодируются в регулярном формате. Обращения к памяти выполняются специальными командами загрузки и записи. Как известно, архитектура x86 имеет очень сложную для декодирования систему команд. В новых процессорах осуществляется аппаратная трансляция команд x86 в команды внутреннего формата, что дает лучшие условия для распараллеливания вычислений. В процессорах имеются несколько десятков физических регистров, которые реализуют методику переименования. В процессореах информация, необходимая для прогнозирования направления перехода, записывается прямо в кэш команд и хранится вместе с каждой строкой кэш-памяти. Для этих целей используется также кэш-память адресов переходов.