sâmbătă, 21 ianuarie 2017

Evolutia procesoarelor

Tags

Evolutia procesoarelor



Perioada 1993-1998 a fost foarte zbuciumata, marcata de o lupta foarte dura pe piata microprocesoarelor, in care Intel a inceput sa simta din ce in ce mai mult prezenta competitiei formate din AMD, Cyrix sau NexGen. Tot in aceasta perioada s-a lansat si standardul MMX care mai este folosit si in prezent.

Era Pentium (1993-1998)

Intel Pentium (22 martie 1993)
 
Intel Pentium a fost primul procesor superscalar de la Intel (putea executa pana la doua instructiuni simultan). Multi s-au intrebat de ce Intel nu a denumit acest procesor 80586. Motivul a fost ca numele format numai din cifre nu putea fi protejat de copyright, asa ca Intel s-a vazut nevoit sa foloseasca si litere pentru a-si diferentia produsele de cele ale concurentei. Procesorul lucra cu o magistrala de date de 64 de biti (cu toate ca a fost un procesor pe 32 de biti) si a fost lansat initial la viteze de 60 si 66 de MHz. Au urmat insa foarte rapid versiuni de 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200, 233 MHZ. De fapt au existat trei versiuni de Pentium: prima versiune care nu cuprindea decat doua modele: Pentium la 60 si la 66MHz, a doua versiune care a adaugat instructiunile MMX si o ultima versiune care a micsorat distanta dintre tranzistoare permitand astfel viteze mai mari care au ajuns pana la 233MHz. Intel Pentium a fost primul microprocesor pentru PC-uri care putea sa calculeze mai mult de 100MIPS (milioane de instructiuni pe secunda). Tot pentru prima oara era posibila construirea unor sisteme care sa lucreze cu 2 procesoare in paralel (sisteme multiprocesor). Microprocesorul de la Intel venea cu 16Kb de cache incorporati in pastila de siliciu.

AMD K5 / Nexgen Nx586 (1995)
AMD a reactionat destul de tarziu in a lansa un procesor comparabil ca viteza cu Intel Pentium. In 1995 a produs totusi primul sau procesor care era conceput integral de catre ei, nemaifiind o simpla clona a procesoarelor Intel. Acest procesor s-a numit K5 si avea viteze de la 75 la 166MHz. Cu toate acestea nu era un procesor mai rapid decat cele de la Intel, in plus avand o unitate de calcul in virgula mobila destul de slaba (ca si Cyrix de altfel). Una din inovatiile aduse de K5 era faptul ca instructiunile x86 erau transformate intern in ROP (Risc OPerations). Aceste operatii RISC se puteau executa in nucleul RISC al procesorului care era mult mai rapud. In acelasi timp o companie de care putina lume auzise pana atunci, Nexgen, lansa primul sau procesor: Nx586. Complexitatea procesorului K5 a dus la frecvente destul de mici, ceea ce i-a facut pe cei de la AMD sa cumpere compania Nexgen care tocmai terminase design-ul noului lor procesor, NX686. Acest design a fost ulterior folosit de AMD in urmatoarea sa familie de procesoare pe care avea sa o lanseze in 1997.

Cyrix 6x86 (Octombrie 1995)
 
6x86 a fost replica lui Cyrix la procesorul Pentium al lui Intel. Acest chip era produs initial de catre IBM dat fiind ca Cyrix nu avea unitati de asamblare de procesoare, insa ulterior, odata cu achizitionarea Cyrix de catre National Semiconductor a fost produs chiar de catre acestia. Procesorul a avut un succes destul de mare dat fiind ca era mai rapid decat un Intel Pentium la aceeasi frecventa. De altfel pentru a-l putea compara cu procesoarele de la Intel, cei de la Cyrix au inventat ceea ce s-a numit ulterior P-Rating. De exemplu procesorul Cyrix 6x86 care functiona la 150 de MHz a fost denumit 6x86PR200, ceea ce insemna ca era comparabil ca viteza cu un Pentium la 200. Unul din marile dezavantaje ale acestui procesor a fost insa viteza foarte mica a calculelor in virgula mobila. Cu toate acestea in aplicatiile de tip office s-a dovedit cel putin la fel de rapid ca si un Pentium.

Intel Pentium Pro (1 noiembrie 1995)
Acest procesor a fost una dintre cele mai mari inovatii tehnice produse de Intel pana acum. Procesorul ingloba pentru prima oara in istorie pe langa cache-ul Level1 de 8k pentru date si 8k pentru instructiuni, si un cache Level2 de 256Kb sau 512Kb. Folosea un sistem complex de predictie a ramurii de executie (branch prediction) si executie speculativa (speculative execution) - in momentul in care executia programului ajungea la o bifurcatie ramura corecta nu era stiuta pana in momentul in care se executa instructiunea conditionala; pentru ca procesorul sa nu astepte pana in acea clipa, se alegea una din cele doua ramuri si se incepea executia instructiunilor respective; daca se dovedea ca ramura aleasa a fost cea corecta aceasta insemna un castig important de viteza. Acest microprocesor transforma instructiunile x86 in microoperatii care erau mult mai mici si mai rapide. Acest lucru, cu toate ca avea ca rezultat o viteza mult mai mare a instructiunilor de 32 de biti, a dus la performante mult mai slabe in sistemele de operare care mai contineau cod pe 16 biti. Acesta a fost unul din motivele performantei mai mici comparabil cu Intel Pentium in Windows 95 de exemplu.


Intel Pentium MMX (Ianuarie 1997)
MMX s-a crezut initial ca inseamna MultiMedia eXtension, dar Intel a declarat ca inseamna Matrix Math eXtension. Acesta reprezinta un standard introdus de Intel care aduce cateva noi instructiuni care usurau in principal calculele matematice cu vectori.

AMD K6 (Aprilie 1997)
 
Ca urmare a cumpararii firmei Nexgen, AMD a reusit sa lanseze un nou procesor, K6 care avea viteze de la 166 la 266MHz. Bineinteles ca politica AMD a fost ca procesoarele sale sa se vanda la aproape jumatate din pretul la care se vindeau procesoarele Intel. K6 incorpora instructiuni MMX (a caror licenta a cumparat-o de la Intel) devenind astfel un rival de temut pentru procesoarele Intel Pentium MMX.

Cyrix 6x86MX (30 Mai 1997)
6x86MX a adus nou extensiile MMX precum si viteze de ceas mai mari decat precedentele chip-uri de la Cyrix. Astfel cel mai performant model era 6x86MX PR266 care rula la 233MHz. De asemenea, marimea memoriei cache Level2 s-a marit de patru ori fata de 6x86, ajungand la 64Kb.

Cyrix MII (14 Aprilie 1998)
Aceasta versiune a chip-ului 6x86 a imbunatatit putin performanta FPU si a atins viteze mai mari ajungand la 300MHz (PR433). De asemenea viteza bus-ului a ajuns la 100MHz.

Cyrix MediaGX (1998)
 
MediaGX a reprezentat incercarea lui Cyrix de a produce un chip care sa integreze atat functiile de sunet si video, cat si controller-ul de memorie si CPU-ul in sine. Scopul acestui chip a fost acela de a putea produce computere foarte ieftine si la vremea aceea deja se vorbea de calculatoare sub 500$ (ceea ce era foarte putin la acea data) construite in jurul lui MediaGX. Cu toate acestea, nici unul din marii producatori de computere nu a adoptat aceasta solutie, astfel incat procesorul acesta, desi revolutionar, nu a avut deloc succesul scontat.




Procesoarele Cyrix

Arhitectura x86


Corporaţia Cyrix este unul dintre furnizorii de bază ai soluţiilor bazate pe microprocesoare, care a introdus noi standarde pe piaţa calculatoarelor personale. În ultimii zece ani Cyrix a dezvoltat aproape o duzină de procesoare originale folosite în milioane de calculatoare din întreaga lume.
În luna noiembrie a anului 1997, Cyrix a fost cumpărată de National Semiconductor. Această fuziune a adus două componente importante pentru Cyrix: capacitatea de producţie la nivel mondial a National Semiconductor şi infrastructura necesară acestei producţii.
Primul produs Cyrix a fost un coprocesor matematic destinat creşterii vitezei de realizare a calculelor matematice. Succesul acestui coprocesor matematic a permis celor de la Cyrix să distribuie începând cu 1992, primul procesor din familia x86. Compania a dezvoltat rapid o linie de producţie pentru procesoarele 486, şi apoi pentru procesoarele din generaţia a cincea 5x86, un CPU pentru sistemele PC (mobile şi desktop). În 1995, Cyrix a introdus procesorul din generaţia a şasea, 6x86, un procesor superscalar, bazat pe o superbandă de asamblare; în iunie 1997, a introdus procesorul MMX 6x86MX, iar în 1998 a apărut procesorul MII.

Procesorul Cyrix 5x86
Familia de procesoare 5x86 reprezintă o nouă generaţie pe 64 de biţi compatibilă x86. Unitatea centrală se bazează pe o bandă de asamblare cu şase nivele, putând executa o instrucţiune într-un impuls de tact.
Unitatea centrală 5x86 este divizată în următoarele blocuri funcţionale (Fig. 1): -unitatea pentru numere întregi (Integer Unit - IU), -unitatea în virgulă flotantă (Floating Point Unit - FPU) , -unitatea cache (Write-Back Cache) , -unitatea pentru gestiunea memoriei (Memory Management Unit - MMU) , -unitatea de interfaţă cu magistrala (Bus Interface Unit - BIU).
Unitatea pentru numere întregi conţine: -tamponul pentru instrucţiuni (Instruction Buffer - IB) , -unitatea de aducere a instrucţiunii (Instruction Fetch Unit - IF) , -unitatea de decodificare a instrucţiunii (Instruction Decoder Unit - ID).
Instrucţiunile sunt executate în unitatea pentru numere întregi sau în unitatea de calcul în virgulă flotantă. Cache-ul conţine cele mai recent utilizate date şi instrucţiuni şi asigură accesul rapid la aceste date din partea IU şi FPU.
Când apare o cerere de acces la o locaţie din memoria externă, MMU calculează adresa fizică pe care o trimite unitaţii de interfaţă cu magistrala, care asigură interfaţarea unitaţii centrale cu memoria externă şi celelalte circuite de pe placa de bază.
Unitatea pentru numere întregi
Această unitate citeşte, decodifică şi execută intrucţiunile într-o bandă de asamblare cu şase nivele (Fig. 2): -nivelul de aducere al codului instrucţiunii (Instrucţion Fetch - IF) - citeşte din cache codul instrucţiunii următoare şi îl trimite spre decodificare nivelului următor din banda de asamblare. Se pot citi până la 128 de octeţi într-un impuls de tact, -nivelul de decodificare a instrucţiunii (Instruction Decode - ID) - evaluează şirul de octeţi primit de la nivelul IF, determinând numărul de octeţi pentru fiecare instrucţiune şi tipul acesteia, pe care apoi le decodifică la viteza de o instrucţiune într-un impuls de tact, -primul nivel de caclul al adresei (Address Calculation 1 - AC1) - dacă instrucţiunea are un operand în memorie, acest nivel calculează adresa de memorie liniară pentru instrucţiune, -al doilea nivel de caclul al adresei (Address Calculation 2 - AC2) - realizează toate funcţiile de gestionare a memoriei, accesarea cache-ului şi a registrelor. Dacă detectează o instrucţiune în virgulă flotantă, aceasta este trimisă pentru execuţie unităţii în virgulă flotantă, -nivelul de execuţie (Execution - EX) - execută instrucţiunea folosind operanzii furnizaţi de nivelele pentru calculul adresei, -nivelul write-back (WB) - ultimul nivel din IU, actualizează setul de registre sau trimite rezultatul unităţii de interfaţă cu memoria (Load/Store Unit) din MMU.

Unitatea cache
Procesorul Cyrix 5x86 conţine un cache unificat pentru date şi instrucţiuni de 16Ko, set-asociativ pe patru căi, organizat pe 1024 de linii. Scrierile în cache se fac prin metoda write-back. Memoria cache este organizată în patru bancuri a câte 256 linii fiecare, cu 16 octeţi pe linie. Fiecare linie cache are asociat câte un tag pe 21 de biţi şi un bit de valid (arată dacă linia conţine informaţii valide sau nu). Pe lângă aceşti biţi, fiecare linie mai conţine încă patru biţi care indică dacă conţinutul liniei a fost modificat (dirty bits), câte unul pentru fiecare dublu-cuvânt din linie. Aceşti ultimi patru biţi permit marcarea independentă a fiecărui dublu-cuvânt ca fiind modificat, în loc de a marca întreaga linie ca fiind modificată.

Unitatea de gestionare a memoriei
MMU translatează adresele liniare furnizate de IU în adrese fizice, pentru a putea fi folosite de unitatea cache şi unitatea de interfaţă cu magistrala. Mecanismul de paginare este cel standard x86.
Unitatea pentru gestionarea memoriei mai conţine un bloc (Load/Store Unit) care planifică accesele la memoria cache şi memoria externă şi implementează următoarele concepte: -reordonarea citirilor şi scrierilor - conferă o prioritate mai mare citirilor din memorie faţă de scrierile în memorie, -evitarea citirilor din memorie - elimină citirile inutile din memorie prin folosirea datelor existente deja în unitatea centrală (în cazul dependenţelor de tipul citire după scriere).
Controlul ramificaţiilor, prezicerea ramificaţiilor, dependenţele între date, unitatea în virgulă flotantă, unitatea de interfaţă cu magistrala vor fi prezentate la procesorul 6x86.

Procesorul Cyrix 6x86
Procesorul Cyrix 6x86 este cel mai performant dintre procesoarele de generaţia a şasea compatibile x86. Îmbunătăţirea performanţelor este realizată prin utilizarea unei arhitecturi superscalare, bazate pe o superbandă de asamblare.
Cyrix 6x86 este un procesor superscalar, deoarece conţine două benzi de asamblare separate ce permit procesarea mai multor instrucţiuni în acelaşi timp. Folosirea unei tehnologii de procesare avansate şi creşterea numărului de nivele în benzile de asamblare (superpipelining) permit procesorului 6x86 să atingă frecvenţe de lucru mai mari de 100MHz.
Prin folosirea caracteristicilor arhitecturale unice, procesorul 6x86 elimină multe dintre dependenţele între date şi conflictele la accesarea resurselor, rezultând o performanţă optimă atât pentru programele pe 16 biţi cât şi pentru cele pe 32 de biţi.
Procesorul Cyrix 6x86 conţine două cache-uri: -un cache unificat (pentru date şi pentru instrucţiuni) de 16Ko dual port, şi -un cache de instrucţiuni de 256 octeţi.
Deoarece cache-ul unificat poate conţine instrucţiuni şi date în orice raport, acesta oferă o rată a hit-urilor (numărul de accese în cache, raportat la numărul total de accese) mai mare comparativ cu două cache-uri separate pentru date şi pentru instrucţiuni, având dimensiuni egale. O creştere a lăţimii de bandă a transferurilor cache-unitatea întreagă este realizată prin suplimentarea cache-ului unificat cu un mic cache de instrucţiuni foarte rapid, complet asociativ. Prin includerea acestui cache de instrucţiuni, se evită conflictele excesive între accesele pentru date şi pentru cod în cache-ul unificat.
Unitatea în virgulă flotantă din procesor permite executarea instrucţiunilor în virgulă flotantă în paralel cu instrucţiunile întregi. Aceasta conţine o coadă de instrucţiuni pe patru nivele şi o coadă pentru datele scrise tot pe patru nivele, pentru a facilita execuţia paralelă.
Procesorul 6x86 este alimentat la 3.3V ducând la un consum redus pentru toate frecvenţele de lucru. În plus, 6x86 mai posedă un mod de suspendare pe nivel scăzut, posibilitatea de a întrerupe tactul şi modul de management al sistemului (SMM) pentru aplicaţiile sensibile la alimentare.

Principalele blocuri funţionale
Procesorul Cyrix 6x86 conţine cinci mari blocuri funcţionale (Fig. 3): -Unitatea întreagă (Integer Unit - IU) , -Unitatea cache (Cache Unit) , -Unitatea de gestionare a memoriei (Memory Management Unit - MMU) , -Unitatea în virgulă flotantă (Floating Point Unit - FPU) , -Unitatea de interfaţă cu magistrala (Bus Interface Unit - BIU).
Instrucţiunile sunt executate în cele două benzi de asamblare întregi (X şi Y) şi în unitatea în virgulă flotantă. Cache-ul conţine cele mai recent utilizate date şi instrucţiuni pentru a permite accese rapide la informaţii din partea IU şi FPU.
Adresele fizice sunt calculate de MMU şi sunt trimise unitaţii cache şi unităţii de interfaţă cu magistrala. BIU oferă o interfaţă între placa sistem externă şi unitaţile interne ale procesorului.

Unitatea întreagă
Unitatea de calcul cu numere întregi oferă o execuţie paralelă a instrucţiunilor în două benzi de asamblare pentru numere întregi cu şapte nivele (Fig. 4). Fiecare din cele două benzi de asamblare (X şi Y) poate procesa simultan câteva instrucţiuni.
Benzile de asamblare întregi conţin următoarele nivele de prelucrare: -aducerea codului instrucţiunii (Instruction Fetch –IF) , -primul decodificator pentru instrucţiuni (Instruction Decode 1 – ID1) , -al doilea decodificator pentru instrucţiuni (Instruction Decode 2 – ID2) , -primul bloc de calculare a adresei (Address Calculation 1 – AC1) , -al doilea bloc de calculare a adresei (Address Calculation 2 – AC2) , -execuţie (Execute – EX) , -writeback (WB) (Fig. 4).
Nivelul de aducere al codului instrucţiunii (IF) este împărţit de cele două benzi de asamblare, aduce câte 16 octeţi de cod din unitatea cache într-un singur ciclu de tact. În acest nivel se caută orice instrucţiune de salt ce poate apare în fluxul de cod şi poate afecta secvenţierea normală a programului. Dacă este detectată o instrucţiune de salt necondiţionat sau una de salt condiţionat, logica de prezicere a salturilor din acest nivel generează o posibilă adresă destinaţie pentru instrucţiunea de salt. Apoi IF aduce codul instrucţiunilor începând cu această adresă.
Funcţia de decodificare a codului instrucţiunii este realizată de nivelele ID1 şi ID2. Nivelul ID1, folosit de ambele benzi de asamblare, evaluează şirul de octeţi de cod transmis de nivelul IF şi determină numărul de octeţi pentru fiecare instrucţiune. Acest nivel poate trimite cel mult două instrucţiuni într-un impuls de tact nivelului ID2, câte una pentru fiecare bandă de asamblare.
Cele două nivele ID2 decodifică instrucţiunile şi le trimite uneia din cele două benzi de asamblare X sau Y spre execuţie. Banda de asamblare este aleasă bazată pe tipul instrucţiunilor aflate deja în fiecare bandă şi cât de repede se presupune că se vor termina.
Funcţia de calculare a adreselor este realizată tot în două nivele: AC1 şi AC2. Dacă instrucţiunea are o referinţă la un operand în memorie, AC1 calculează o adresă de memorie liniară pentru instrucţiune.
Nivelul AC2 realizează toate funcţiile de gestiunea memoriei cerute, accesele la cache şi accesele la setul de registre. Dacă AC2 detectează o instrucţiune în virgulă flotantă, aceasta este trimisă spre prelucrare unităţii FPU.
În nivelul de execuţie (EX), se execută instrucţiunile folosind operanzii primiţi din nivelul AC2.
Nivelul writeback (WB) este ultimul din unitatea de lucru cu numere întregi. În acest nivel sunt stocate rezultatele execuţiei sau în registre sau în tamponul de scriere din unitatea cache.

Procesarea în inordine
Dacă o instrucţiune este executată mai repede decât instrucţiunea precedentă din cealaltă bandă de asamblare, instrucţiunile sunt completate în inordine. Toate instrucţiunile sunt prelucrate în ordine până la nivelul EX. În timp ce în nivelele EX şi WB instrucţiunile pot fi executate în inordine.
Dacă există dependenţe de date între cele două instrucţiuni, este necesară intervenţia unui bloc care să asigure execuţia corectă a programului. Astfel, chiar dacă instrucţiunile sunt executate în inordine, excepţiile şi scrierile din cadrul instrucţiunilor sunt întotdeauna efectuate în ordinea cerută de program.

Selectarea benzii de execuţie
În majoritatea cazurilor, instrucţiunile sunt prelucrate în oricare din cele două benzi de asamblare şi nu există constrângeri cu privire la tipul instrucţiunilor executabile în paralel în cele două benzi de asamblare. Însă, unele instrucţiuni pot fi prelucrate doar de banda de asamblare X: -instrucţiunile de salt, -instrucţiunile în virgulă flotantă, -instrucţiunile exclusive.
Instrucţiunile de salt şi cele în virgulă flotantă pot fi executate în paralel cu o altă instrucţiune ce poate fi executată în banda Y. Instrucţiunile exclusive nu pot fi executate în paralel cu nici o altă instrucţiune. Aceste instrucţiuni necesită accese multiple la memorie. Chiar dacă aceste instrucţiuni sunt executate exclusiv, este folosit hardware-ul din cele două benzi de asamblare pentru a se accelera completarea instrucţiunii. În continuare sunt înşirate tipurile de instrucţiuni exclusive ale procesorului 6x86: -încărcarea segmentelor în modul protejat, -accesele la registrele speciale (registrele de control, debug şi test) , -instrucţiunile pe şiruri, -înmulţirea şi împărţirea, -accesele la porturile I/O, -PUSHA şi POPA, -salturile intersegment, apelurile de proceduri şi ieşirea din proceduri intersegment.

Soluţionarea dependenţelor de date
Când două instrucţiuni care sunt executate în paralel accesează aceeaşi dată sau acelaşi registru, poate apare una din următoarele tipuri de dependenţe de date: -citire după scriere (Read-After-Write - RAW) , -scriere după citire (Write-After-Read - WAR) , -scriere după scriere (Write-After-Write - WAW).
Dependenţele între date în mod normal necesită serializarea execuţiei instrucţiunilor implicate. Însă, 6x86 implementează următoarele trei mecanisme ce permit execuţia paralelă a instrucţiunilor ce conţin dependenţe între date: -redenumirea registrelor (Register Renaming) , -înaintarea datelor (Data Forwarding) , -evitarea datelor (Data Bypassing). În continuare, se vor descrie pe scurt aceste meacnisme.

Redenumirea registrelor
Procesorul Cyrix 6x86 conţine 32 registre fizice de uz general. Fiecare din cele 32 de registre din fişierul de registre poate fi desemnat a fi unul din registrele de uz general din arhitectura x86 (EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP şi ESP). Pentru fiecare operaţie de scriere într-un registru este selectat un nou registru fizic, pentru a se reţine temporar şi data precedentă. Redenumirea registrelor elimină efectiv toate dependinţele WAW şi WAR. Pentru programator este transparent acest mod de redenumire a registrelor; este transparent atât pentru sistemul de operare, cât şi pentru programele aplicaţie.
Exemplul 1. Redenumirea registrelor elimină dependenţele de tipul scriere după citire (WAR). O dependenţă de tip WAR apare atunci când prima dintr-o pereche de instrucţiuni citeşte un registru logic şi a doua instrucţiune scrie în acelaşi registru. Acest tip de dependenţă este ilustrat de perechea de instrucţiuni de mai jos:

banda X banda Y
(1) MOV BX, AX (2) ADD AX, CX
(BX <- AX) (AX <- AX + CX)
(Ordinea iniţială din program a instrucţiunilor este arătată de numerele din paranteze.)
În absenţa redenumirii registrelor, instrucţiunea ADD din banda de asamblare Y ar trebui să aştepte până când instrucţiunea MOV din banda de asamblare X ar citi registrul AX.
Însă, procesorul 6x86 evită blocarea benzii de asamblare într-o astfel de situaţie. Pe măsură ce este executată fiecare instrucţiune, rezultatele sunt plasate într-un nou registru fizic, pentru a evita posibilitatea suprascrierii unei valori a unui registru logic şi pentru a permite execuţia în paralel a două instrucţiuni fără blocare (fără a fi necesară nici o secvenţiere la accesarea aceleiaşi resurse) (Tab.1).
Exemplul 2. Redenumirea registrelor elimină dependenţele de tipul scriere după scriere (WAW)
O dependenţă WAW apare când două instrucţiuni consecutive realizează scrierea în acelaşi registru logic. Acest tip de dependenţă este ilustrat de:

banda X banda Y
(1) ADD AX, BX (2) MOV AX, [mem]
(AX <- AX + BX) (AX <- [mem])
Fără denumirea registrelor instrucţiunea MOV din banda de asamblare Y ar trebui să fie întreruptă pentru a garanta că instrucţiunea ADD din banda X şi-a depus rezultatul în AX (Tab.2).

Înaintarea datelor (Data Forwarding)
Doar redenumirea registrelor, nu poate elimina dependenţele de tipul citire după scriere (RAW). 6x86 foloseşte două tipuri de data forwarding împreună cu redenumirea registrelor pentru a elimina acest tip de dependenţe: -înaintarea operandului (operand forwarding), - apare când prima dintr-o pereche de instrucţiuni efectuează o citire din registru sau memorie iar această dată este necesară celei de-a doua instrucţiuni. CPU execută operaţia de citire şi furnizează data citită ambelor instrucţiuni; -înaintarea rezultatului (result forwarding) - apare atunci când prima dintr-o pereche de instrucţiuni execută o operaţie (cum ar fi ADD) iar rezultatul ei este citit de o a doua instrucţiune. CPU-ul execută operaţia primei instrucţiuni şi depune rezultatul operaţiei în destinaţiile ambelor instrucţiuni simultan.
Exemplul 3. Înaintarea operandului elimină dependenţa de tipul RAW
O dependenţă de tipul RAW apare când prima dintr-o pereche de instrucţiuni realizează o scriere iar a doua instrucţiune citeşte acelaşi registru.

banda X banda Y
(1) MOV AX, [mem] (2) ADD BX, AX
(AX <- [mem]) (BX <- AX + BX)
Înaintarea operandului poate apare doar dacă prima instrucţiune nu modifică valoarea iniţială a datei (Tab. 3).
Exemplul 4. Înaintarea rezultatului elimină dependenţa de tipul RAW
O dependenţă de tipul RAW apare când prima dintr-o pereche de instrucţiuni realizează o scriere iar a doua instrucţiune citeşte acelaşi registru.

banda X banda Y
(1) ADD AX, BX (2) MOV [mem], AX
(AX <- AX + BX) ([mem] <- AX)
A doua instrucţiune trebuie să fie o instrucţiune de transfer iar destinaţia ei poate fi sau un registru sau o locaţie de memorie (Tab. 4).

Evitarea datelor (Data Bypassing)
Pe lângă redenumirea registrelor şi înaintarea datelor, 6x86 conţine o a treia tehnică de eliminare a dependenţelor de date, denumită evitarea datelor. Aceasta reduce scăderilor în performanţă ale acelor dependenţe de tipul RAW din memorie ce nu pot fi eliminate cu ajutorul înaintării datelor.
Evitarea datelor apare când prima dintr-o pereche de instrucţiuni scrie în memorie şi următoarea citeşte aceeaşi dată din memorie. 6x86 reţine data din prima instrucţiune şi o pasează celeilalte instrucţiuni, astfel eliminându-se un ciclu de citire din memorie.
Exemplul 5. Evitarea datei în dependenţa de tipul RAW
În acest exemplu, dependenţa de tipul RAW apare când prima instrucţiune efectuează o scriere în memorie iar instrucţiunea următoare citeşte aceeaşi locaţie de memorie (Tab. 5).

banda X banda Y
(1) ADD [mem], AX (2) SUB BX, [mem]
([mem] <- [mem] + AX) (BX <- BX - [mem])
Controlul ramificaţiilor
În programe instrucţiunile de salt apar în proporţie de 20-25%. Când fluxul de secvenţiere normală al programului se schimbă datorită unei instrucţiuni de salt, nivelele benzilor de asamblare trebuie blocate până când CPU-ul calculează adresa, aduce şi decodifică noul flux de instrucţiuni. Procesorul Cyrix 6x86 minimizează degradarea în performanţă şi latenţa introduse de instrucţiunile de salt prin folosirea conceptelor de prezicere a salturilor şi execuţie speculativă.

Prezicerea salturilor
Procesorul 6x86 foloseşte un tabel al adreselor destinaţie (Branch Target Buffer - BTB) cu 256 de intrări, set asociativ pe 4 căi, pentru menţinerea adreselor destinaţie ale instrucţiunile de salt şi a altor informaţii necesare prezicerii acestor salturi. În timpul aducerii codului instrucţiunii sunt căutate instrucţiunile de salt în fluxul de instrucţiuni. Dacă este descoperită o instrucţiune de salt necondiţionat, CPU-ul accesează BTB pentru a afla adresa destinaţie a instrucţiunii de salt. Dacă această adresă există în BTB, CPU-ul începe să aducă instrucţiunile de la noua adresă.
În cazul salturilor condiţionate, BTB mai menţine o serie de informaţii cu privire la istoricul efectuării saltului respectiv (pentru a se putea lua decizia de efectuare sau nu a saltului). Dacă instrucţiunea de salt condiţionat este găsită în BTB, 6x86 începe aducerea instrucţiunilor de la adresa prezisă. Dacă instrucţiunea nu este găsită în BTB, 6x86 prezice neexecutarea saltului şi aducerea instrucţiunilor va continua cu adresa următoare. Decizia de efectuare sau nu a saltului este luată pe baza unui algoritm de prezicere a salturilor.
Odată ce a fost adus codul unei instrucţiuni de salt condiţionat, aceasta este decodificată şi distribuită spre execuţie benzii de asamblare X. Instrucţiunea trece prin nivelele benzii de asamblare X şi este terminată sau în nivelul EX sau în WB, în funcţie de instrucţiunea care a setat indicatorii de condiţii: -dacă instrucţiunea care a setat indicatorii de condiţii este executată în paralel cu instrucţiunea de salt condiţionat, atunci aceasta este terminată în nivelul WB, -dacă instrucţiunea care a setat indicatorii de condiţii a fost executată înaintea instrucţiunii de salt, atunci aceasta se va termina în EX.
Instrucţiunile de salt condiţionat corect prezise se vor executa într-un singur impuls de tact. Dacă după terminarea execuţiei instrucţiunii de salt condiţionat s-a detectat o prezicere eronată a saltului, CPU-ul goleşte benzile de asamblare şi începe execuţia de la adresa corectă. Procesorul 6x86 în cazul unei instrucţiuni de salt condiţionat aduce în avans atât instrucţiunea prezisă cât şi cealaltă, dar o trimite benzii de asamblare spre execuţie doar pe cea prezisă. Astfel că, în cazul unei preziceri eronate, instrucţiunea de la adresa neprezisă nu va mai fi citită din cache, deoarece a fost adusă deja. Dacă instrucţiunea de salt condiţionat a fost rezolvată în nivelul EX, atunci întârzierea în cazul unei preziceri eronate este de patru impulsuri de tact, iar dacă instrucţiunea de salt a fost rezolvată doar în WB, atunci întârzierea este de cinci impulsuri de tact.
Deoarece instrucţiunea de revenire dintr-o subrutină (RET) este dinamică, procesorul 6x86 menţine adresele pentru aceste instrucţiuni într-o stivă cu opt intrări. Adresa de revenire este introdusă în stiva adreselor de revenire de către instrucţiunea CALL, şi este scoasă de către instrucţiunea RET corespunzătoare.

Execuţia speculativă
Procesorul 6x86 are posibilitatea de a executa speculativ instrucţiunile următoare unei instrucţiuni în virgulă flotantă sau a unei instrucţiuni de salt. Execuţia speculativă permite benzilor de asamblare să execute continu instrucţiuni după un salt, fără a fi necesară blocarea benzii de asamblare până la obţinerea rezultatului execuţiei instrucţiunii de salt condiţionat. Acelaşi mecanism este folosit pentru a se executa instrucţiuni în virgulă flotantă în paralel cu instrucţiunile de numere întregi.
Procesorul are posibilitatea de execuţie în patru nivele de speculaţie. După generarea unei noi adrese prin mecanismul de predicţie, CPU-ul salvează starea curentă (registrele, indicatorii de condiţii, etc.), incrementează numărătorul nivelului de speculaţie şi începe execuţia fluxului de instrucţiuni prezis.
Odată ce instrucţiunea de salt a fost rezolvată, CPU-ul decrementează nivelul de speculaţie. Pentru un salt corect prezis este ştearsă starea resurselor salvate la intrarea în nivelul de speculaţie curent. Pentru un salt prezis eronat, procesorul 6x86 generează adresa corectă pentru următoarea instrucţiune şi foloseşte valorile de stare salvate pentru a restaura starea curentă, într-un singur impuls de tact.
Pentru a se menţine compatibilitatea, nu sunt permise scrierile în memorie sau cache, până când nu este rezolvată instrucţiunea de salt. Execuţia speculativă continuă până când apare una din următoarele condiţii: -este decodificată o nouă instrucţiune de salt sau de calcul în virgulă flotantă şi nivelul de speculaţie este patru (maximul) , -apare o excepţie sau o eroare, -tamponul de scriere este plin, -se încearcă modificarea unei resurse a cărei stare nu a fost salvată (registrele segment, indicatorii sistem).

Cache-ul unificat de date şi instrucţiuni
Procesorul Cyrix 6x86 conţine un cache unificat şi un cache de instrucţiuni (Fig. 5). Cache-ul unificat cu dimensiunea de 16Ko funcţionează ca un cache primar (L1) de date şi ca un cache secundar (L2) de instrucţiuni. Configurat ca un cache set-asociativ pe patru căi, conţine până la 16Ko de cod şi date în 512 linii. Cache-ul este dual-port şi permite executarea a două din operaţiile următoare în paralel: -citirea unui cod de instrucţiune, -citirea unei date (de către banda X, banda Y sau FPU) , -scrierea unei date (de către banda X, banda Y sau FPU).
Acest cache foloseşte un algoritm de replasare pseudo-LRU (Last Recently Used) şi poate fi configurat să aloce o nouă linie de cache doar la un miss de citire, sau şi la citire şi la scriere.
Cache-ul de instrucţiuni de 256 octeţi complet asociativ serveşte drept cache de instrucţiuni primar (L1). Cache-ul de instrucţiuni este încărcat din cache-ul unificat prin magistrala de date internă. Citirile codurilor de instrucţiuni din unitatea pentru numere întregi care se găsesc în cache-ul de instrucţiuni nu mai accesează cache-ul unificat. Dacă instrucţiunea nu este găsită în cache-ul de instrucţiuni, linia din cache-ul unificat care conţine instrucţiunea respectivă, este transferată atât cache-ului de instrucţiuni cât şi unităţii pentru numere întregi.
Acest cache foloseşte tot algorimtul de replasare pseudo-LRU. Pentru a se asigura operarea corectă în cazul codului automodificabil, orice scriere în cache-ul unificat este verificată cu conţinutul cache-ului de instrucţiuni. Dacă a fost modificată o locaţie care este prezentă şi în cache-ul de instrucţiuni, atunci linia ce conţine respectiva locaţie este dezactivată.

Unitatea de gestionare a memoriei
Unitatea de gestionare a memoriei (Memory Management Unit - MMU) a procesorului Cyrix 6x86, prezentată în Fig. 6, translatează adresele liniare furnizate de IU într-o adresă fizică, pentru a putea fi utilizată în continuare de cache şi interfaţa cu magistrala. MMU include două mecanisme de paginare, un mecanism tradiţional şi un mecanism specific lui 6x86 cu pagini de dimensiuni variabile (Fig. 6).

Mecanismul de paginare cu dimensiunea paginilor variabilă
Acest mecanism de paginare permite programelor să mapeze pagini cu dimensiunea între 4Ko şi 4Go. Folosirea paginilor de dimensiuni mari poate duce la sporirea performanţei unor anumite aplicaţii.

Mecanismul tradiţional de paginare
Mecanismul tradiţional de paginare a fost îmbunătăţit la 6x86 prin adăugarea unui cache pentru tabelul directorilor (Directory Table Entry -DTE) şi un TLB victimă. TLB-ul principal este cu mapare directă şi conţine 128 de intrări pentru tabelul paginilor. Cache-ul DTE cu patru intrări complet asociative conţine accesele cele mai recente la DTE.
TLB-ul victimă conţine liniile din TLB principal care au fost înlocuite datorită unui miss în TLB. Dacă se face referirea la o pagină ce are PTE-ul în TLB-ul victimă, linia aceasta este schimbată cu o linie din TLB-ul primar.

Unitatea în virgulă flotantă
Interfaţa dintre unitatea în virgulă flotantă (FPU) a procesorului 6x86 şi unitatea pentru numere întregi este realizată printr-o magistrală internă pe 64 de biţi. Setul de instrucţiuni FPU al procesorului 6x86 este compatibil x87 şi aderă standardului IEEE-754.
Procesorul Cyrix 6x86 execută instrucţiunile întregi în paralel cu instrucţiunile în virgulă flotantă. Instrucţiunile întregi pot fi executate în inordine cu respectarea instrucţiunilor FPU.
Aşa cum s-a mai spus, instrucţiunile FPU sunt întotdeauna executate în banda de asamblare X. Nivelul pentru calculul adresei din banda X verifică apariţia excepţiilor de gestionare a memoriei şi accesează operanzii din memorie folosiţi de FPU. Dacă nu apare nici o excepţie, se salvează starea curentă a procesorului în AC2 şi trimite instrucţiunea în virgulă flotantă spre execuţie FPU-ului. Apoi unitatea centrală poate executa orice instrucţiune întreagă următoare, speculativ şi în inordine.
Unitatea centrală 6x86 poate trimite până la patru instrucţiuni FPU în coada de aşteptare a FPU. CPU-ul continuă cu execuţia speculativă şi în inordine până când apare una dintre condiţiile ce cauzează oprirea execuţiei speculative. Pe măsură ce FPU termină de executat o instrucţiune în virgulă flotantă, este decrementat nivelul speculativ şi sunt şterse valorile de stare salvate la începutul acestei instrucţiuni. Unitatea în virgulă flotantă mai conţine şi un set de patru tampoane de scriere pentru a preveni întreruperile datorate scrierilor speculative.

Procesoarele Cyrix 6x86MX şi MII
Aceste procesoare au la bază nucleul procesorului 6x86, îmbunătăţit cu cele 57 instrucţiuni multimedia noi, compatibile cu tehnologia MMX. În plus, 6x86MX şi MII lucrează la frecvenţe mai mari, conţin un cache de dimensiune mai mare, un tampon destinat translatării adreselor liniare în adrese fizice (TLB) pe două nivele şi un cache destinat adreselor de salt îmbunătăţit (Fig. 7).
Pentru a oferi suportul pentru operaţiile multimedia, cache-ul poate fi transformat într-o memorie RAM scratchpad. Această memorie funcţionează ca o memorie privată pentru CPUşi nu participă în operaţiile cache.





















Evoluţia procesoarelor
Până unde se poate merge în direcţia miniaturizării şi creşterii performanţelor?
O privire asupra dezvoltării procesoarelor de la origini până în prezent ne poate permite să caracterizăm arhitecturile microprocesoarelor contemporane şi chiar să încercăm să prevedem cum vor arată cele de mâine.

Am întâlnit de mai multe ori un banc pe Internet, care spunea că, dacă maşinile ar fi evoluat în aceeaşi măsură cu calculatoarele, acum ar fi mers 120 de kilometri cu benzina dintr-o brichetă şi ar fi costat cât o pâine. Pe de altă parte, un contra-banc, din partea industriei automobilistice, ofensate, zicea apoi că, dacă ar fi evoluat la fel, maşina ar fi refuzat să mai meargă de câteva ori pe zi, şi ar fi trebuit să o duci înapoi în garaj ca să repornească.
Adevărul este că progresele făcute de tehnologia calculatoarelor sunt absolut uluitoare; ajunge să îţi cumperi un calculator nou după doi ani ca să fii impresionat de câştigul de performanţă înregistrat. Sporul de performanţă se datorează unor procesoare din ce în ce mai sofisticate şi mai rapide, şi unor memorii de capacităţi din ce în ce mai mari.
Răspunzătoare pentru creşterea exponenţială a performanţei sunt însă în cea mai mare măsură microprocesoarele. În acest articol vom arunca o privire asupra evoluţiei microprocesoarelor de la origini până în prezent. Vom încerca apoi să caracterizăm arhitecturile procesoarelor contemporane şi să extrapolăm din datele la dispoziţie, speculând despre unele din posibilele evoluţii viitoare.
Trebuie să atrag de la început atenţia că nu am însuşiri paranormale şi, ca atare, nu sunt profet. Domeniul tehnologiilor de calcul este extraordinar de volatil şi se mişcă cu o viteză fantastică; orice previziune este cel puţin hazardată. De altfel caseta "Performanţe - estimări" ilustrează acest fapt, contrapunând previziunile din urmă cu câţiva ani ale unei organizaţii extrem de prestigioase, Semiconductor Industry Association (SIA, http://www.semichips.org/), cu realitatea. Deci nu vă aşteptaţi de la mine la mai mult.
Am mai publicat în PC Report o serie întreagă de articole despre arhitectura procesoarelor moderne, pe care le voie cita ocazional; toate acestea sunt disponibile din pagina mea de web. Articolul de faţă va fi însă mai superficial. Există o cantitate enormă de informaţie pe web. În acest articol am folosit în mod repetat informaţii de la http://bwrc.eecs.berkeley. edu/CIC/, CPU Info Center.
Aspecte economice
Un istoric interesant al diferitelor idei arhitecturale din microprocesoare puteţi găsi pe web la http://bwrc.eecs.berkeley.edu/CIC/archive/ cpu_history.html.
Primul microprocesor a fost creat de firma Intel în 1971. Numele său era Intel 4004, şi era un procesor pe 4 biţi. Apariţia primului microprocesor a fost un pas cu uriaşe consecinţe în evoluţia ulterioară a sistemelor de calcul. Diferenţa între microprocesor şi metodele îndeobşte folosite era că procesorul strânge pe o singură pilulă de siliciu toate unităţile funcţionale importante necesare executării programelor; fiind toate strâns integrate, comunicaţia între ele este rapidă şi eficace, permiţând dintr-o dată un salt calitativ.
Nu mai puţin importantă este reducerea de cost care urmează unei astfel de integrări. Cu siguranţă că principalul motiv al evoluţiei explozive a tehnologiei circuitelor integrate nu este de natură tehnologică, ci economică: spirala preţurilor din ce în ce mai scăzute face echipamentele de calcul din ce în ce mai accesibile, cererea creşte, ducând la venituri mai ridicate pentru fabricanţi, care investesc mai mult în cercetare/dezvoltare şi linii tehnologice, obţinând densităţi mai mari, permiţând integrarea mai multor circuite precum şi costuri şi mai scăzute. Cu toată scăderea de preţ, veniturile globale ale industriei semiconductoarelor au crescut în mod galopant: numai anul trecut vânzările globale au fost de 149 de miliarde de dolari!
Esenţial pentru a menţine această spirală este faptul că echipamentele de calcul măresc enorm productivitatea muncii, direct sau indirect: de aici cererea crescândă. Iar experţii afirmă că acesta este doar începutul şi că în viitor fiecare individ va depinde de zeci de dispozitive de calcul în fiecare clipă. Nu suntem prea departe de acest punct: chiar în ziua de azi, o maşină modernă are în medie 15 microprocesoare, care controlează, reglează şi diagnostichează tot felul de parametri, de la injecţie până la frâne.
Nu pot să mă abţin să remarc că Statele Unite ale Americii atribuie o treime din creşterea venitului naţional brut în anul trecut doar tehnologiilor informaţionale, care însă ocupă doar 8% din forţa de muncă. În foarte mare măsură, tehnologia informaţiei este responsabilă pentru fenomenala dezvoltare economică pe care Statele Unite o traversează în aceşti ani.
Aspecte cantitative
Să lăsăm acum deoparte economia, şi să aruncăm o privire asupra evoluţiei unor parametri ai procesoarelor de-a lungul timpului. Tabela "Cronologia Intel" prezintă evoluţia generaţiilor succesive ale celei mai proeminente familii de procesoare, ale firmei Intel.
Ultima coloană din tabel şi figura "Performanţe - estimări" arată care este impactul miniaturizării: această coloană indică dimensiunea de bază (feature size), care poate fi văzută ca fiind dimensiunea unui tranzistor. Orice reducere a acestei valori are un impact cvadratic, pentru că suprafaţa creşte cu pătratul laturii. O reducere de la 2 microni la 1,5 (50%) măreşte deci suprafaţa efectivă cu 77% (4/2,25 = 1,77).
Din fericire, reducerea dimensiunilor mai are încă o consecinţă foarte importantă: traseele pe care trebuie să le parcurgă curentul electric între dispozitive devin mai scurte, deci se pot parcurge mai rapid. Proiectanţii pot face deci procesorul să funcţioneze cu un ceas mai rapid.
Observaţie: Majoritatea covârşitoare a procesoarelor contemporane funcţionează în mod sincron: întreaga lor funcţionare este orchestrată de un tact de ceas, care garantează că feluritele părţi sunt sincronizate. Din ce în ce mai mult însă se tinde spre scheme cu multiple semnale de ceas, sau chiar scheme asincrone. Nu ne vom ocupa însă de aceste evoluţii în textul acestui articol.
Faptul că avem siliciu la dispoziţie pentru a implementa mai mulţi tranzistori înseamnă că:
1). Putem muta mai multe circuite auxiliare pe acelaşi cip. Evoluţia procesoarelor cunoaşte câteva salturi calitative: când miniaturizarea făcea posibilă integrarea unui nou dispozitiv pe acelaşi circuit integrat, se realiza un salt de performanţă. Astfel, au fost integrate succesiv: unităţi din ce în ce mai mari de procesare (8, 16, 32, acum 64 de biţi), coprocesoare aritmetice, unităţi de management al memoriei, cache-uri de nivel 1 şi chiar 2;
2). Designerii folosesc tranzistorii suplimentari pentru a construi circuite mai sofisticate, care pot executa mai repede şi mai eficient programele. Metoda fundamentală folosită este de a face mai multe lucruri în paralel.
Împreună aceste trei fenomene (viteza ceasului, integrarea pe o singură pastilă şi exploatarea paralelismului) contribuie la creşterea performanţei totale a procesoarelor. Aşa cum am povestit şi cu alte ocazii, măsurarea performanţei unui calculator se face evaluând sistemul pe mai multe programe (deci performanţa depinde foarte mult şi de compilatorul folosit), care de obicei fac parte din suite de teste standardizate (benchmark suites). Cele mai folosite pentru a evalua procesoare sunt cele din seria SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation, http:// www.specbench.org). Nu ne va interesa acum prea tare ce reprezintă numerele acestea; cert este că cu cât sunt mai mari, cu atât e mai bine. Graficul din figura "Performanţe - SPEC" arată evoluţia performanţei procesoarelor în ultimii 10 ani, în termeni SPEC.
Evoluţia urmăreşte aproximativ o curbă exponenţială: în fiecare an performanţa creşte cu 60%.
Tehnologii arhitecturale
Aşa cum am ilustrat în seria mea de articole intitulate "Arhitectura avansată a procesoarelor", o mulţime de inovaţii tehnologice au fost introduse una după alta în arhitecturi; de fapt intenţionez să continui această serie şi în viitor, pentru că mai sunt de prezentat şi alte mecanisme importante.
Îmi permit să prezint în continuare viziunea profesorului John Hennessy, de la universitatea Stanford, aşa cum a expus-o în prelegerea pe care a ţinut-o ca invitat la Federated Computer Research Conferences, în mai 1999.
Hennessy vede două tehnologii arhitecturale ca fiind esenţiale: exploatarea paralelismului la nivel de instrucţiune (Instruction Level Parallelism, ILP) şi ierarhii sofisticate de memorie (cache-uri). Să spunem câteva cuvinte despre fiecare:
ILP
Paralelismul la nivel de instrucţiune constă în independenţa instrucţiunilor din programe una de alta, ceea ce ne permite să executăm mai multe instrucţiuni simultan. Am vorbit altădată pe larg despre paralelismul la nivel de instrucţiune; să observăm că toate procesoarele contemporane îl exploatează prin două forme:
Execuţia pe bandă de asamblare (pipeline) a instrucţiunilor succesive;
Execuţia în paralel a instrucţiunilor independente: procesoarele de tip VLIW (very long instruction word) aleg la compilare care instrucţiuni merg în paralel, iar procesoarele superscalare fac această alegere în timpul execuţiei.
Astfel, în 1985 au apărut primele procesoare cu banda de asamblare, în 1990 primele procesoare de tip VLIW, iar în 1995 procesoare foarte sofisticate superscalare, care pot executa instrucţiunile în ordini foarte diferite de cea din program (out-of-order execution).
Cache-uri
Am scris în repetate rânduri despre cache-uri în PC Report (de pildă martie 1997 şi noiembrie 1998). Aici vom arunca doar o privire superficială asupra lor; scopul nostru este de a înţelege de ce cache-urile joacă un rol fundamental în creşterea performanţei. Figura "Performanţe - memorii şi procesoare" ne oferă cheia: deşi atât procesoarele cât şi memoriile cresc constant în viteză, creşterea procesoarelor este cu 50% mai rapidă decât a memoriilor. Ca atare există o disparitate crescândă între nevoile de date (şi instrucţiuni) ale procesorului şi ceea ce memoriile pot oferi. Durata unui acces la memorie ajunge la zeci de cicli de ceas pentru procesoarele contemporane. Întârzierea accesului este şi mai exacerbată în cazul sistemelor care au mai multe procesoare, în care caz timpii de acces la date pot ajunge la mii de cicli.
Din această cauză se construiesc cache-uri, care sunt memorii mai mici şi mai rapide, care se plasează între procesor şi memoria principală, şi în care sunt aduse datele pentru prelucrare. Proiectanţii au reuşit să sporească eficacitatea cache-urilor folosind două metode:
(a) Prin folosirea unor cache-uri din ce în ce mai mari, plasate din ce în ce mai aproape de procesor. Această evoluţie este clar vizibilă:
Primele procesoare nu aveau nici un fel de cache, pentru că memoriile erau suficient de rapide pentru a le servi cu date. În 1980 au apărut cache-uri (L1) sub forma unor circuite speciale, care în 1984 au fost integrate pe aceeaşi pilulă de siliciu cu procesorul central, după care (1986) a apărut un al doilea nivel de cache (L2), mai mare şi ceva mai lent, care în procesoarele moderne (1995) este la rândul lui adesea integrat cu circuitul microprocesorului, pentru a permite un acces rapid. Au apărut nivele terţiare de cache (1999).
(b) Pe de altă parte metodele de management ale cache-urilor sunt din ce în ce mai sofisticate:
Au apărut cache-uri care servesc procesorul de îndată ce primul cuvânt a sosit, chiar dacă restul sunt pe drum (early restart, 1992), cache-uri care nu blochează procesorul când datele lipsesc, ci îi permit să continue execuţia (non-blocking, 1994) şi tot felul de alte tehnologii sofisticate, pe care le-am expus în alte părţi (cache-uri victimă, buffere de scriere, instrucţiuni speciale (prefetching) de management al cache-ului etc.). Tot aici se cuvine să menţionăm multiprocesoarele simetrice şi protocoalele de coerenţă ale cache-urilor pentru astfel de sisteme; toate procesoarele moderne sunt construite pentru a fi folosite în sisteme multi-procesor, şi includ astfel de dispozitive.
Arhitecturile contemporane
Astfel, urmărind evoluţia arhitecturilor, am ajuns până în ziua de azi. Vom încerca să caracterizăm sumar starea arhitecturilor, după care vom arunca o privire asupra unora din direcţiile viitoare.
Hardware şi software. Istoria modernă a procesoarelor contrapune două paradigme pentru creşterea performanţei, bazate pe software şi respectiv pe hardware. Aparent, un articol despre arhitectura procesoarelor nu are nimic de-a face cu softul. Nimic mai greşit: la ora aceasta există o simbioză totală între hardware şi software. Procesoarele se proiectează odată cu compilatoarele care le folosesc iar relaţia dintre ele este foarte strânsă: compilatorul trebuie să genereze cod care să exploateze caracteristicile arhitecturale, altfel codul generat va fi foarte ineficace.
Metodele de creştere a performanţei cu ajutorul compilatoarelor se numesc şi statice, pentru că programul este analizat şi optimizat o singură dată, înainte de a fi pornit în execuţie. Metodele bazate pe hardware se numesc dinamice, pentru că sunt aplicate în timp ce programul se execută.
Istoria arhitecturilor contrapune mereu cele două paradigme: de exemplu dezbaterea iniţială RISC/CISC era de aceeaşi natură, ca şi dezbaterea între superscalar şi VLIW, pe care am menţionat-o deja în acest text.
Notă: În anii '80 a apărut ideea de a face procesoarele mult mai simple pentru a le permite să meargă mai repede. Astfel de arhitecturi au fost numite RISC: Reduced Instruction Set Computer, prin contrast cu celelalte, Complex ISC.
De fapt, aşa cum menţionam şi în alte articole (de exemplu în PC Report din iunie 1999), există lucruri care se pot face numai static şi există lucruri care se pot face numai dinamic. Aşa că de fapt, chiar arhitecturile care pornesc la una din extreme, tind să conveargă către folosirea unui amestec de trăsături din ambele domenii:
La ora actuală distincţia RISC/CISC aproape că s-a estompat. De exemplu, Pentium, un procesor tipic CISC, de fapt traduce în mod automat instrucţiunile în instrucţiuni de tip RISC în hardware, după care le execută. Pe de altă parte, toate procesoarele RISC au căpătat extensii la setul de instrucţiuni (gen CISC) pentru a le mări eficacitatea; de pildă toate procesoarele au extensii speciale pentru multimedia.
De asemenea, graniţele dintre super-scalar şi VLIW tind să se estompeze, fiecare împrumutînd din tehnologiile celuilalt.
Cu siguranţă că un model mixt este preferabil, pentru că poate lua ce e mai bun din fiecare tehnologie.
Crusoe
Se cuvine să atragem atenţia asupra unei recrudescenţe a "luptei" sistemelor pure: anul acesta compania Transmeta a anunţat apariţia unui nou procesor, numit Crusoe, care exploatează la maximum tehnologiile statice (compilarea). Compania Transmeta a făcut mare vâlvă, nu atât prin procesorul lor, care poate simula alte procesoare, inclusiv cele ale firmei Intel, ci prin faptul că angajează pe cel mai faimos programator al planetei, Linus Torvalds, creatorul sistemului de operare Linux.
Transmeta a lansat Crusoe cu mare pompă în luna ianuarie; compania predică întoarcerea la simplitate (care a fost sugerată atât de curentul RISC, cât şi de modelele VLIW), în care hardul este simplu şi rapid iar compilatorul duce greul. Echipa care a lucrat la Transmeta este compusă în mare măsură din ingineri plecaţi de la IBM: IBM a lucrat la o versiune de procesor PowerPC care putea face exact acelaşi lucru: putea executa în mod nativ cod x86 (adică compatibil Intel), dar proiectul lor a fost întrerupt deşi era într-o stare foarte avansată, aparent din motive de marketing.
Cât de serios este acest nou competitor?
Din păcate atuurile lui Crusoe nu sunt prea clare:
·        cipul nu are un ceas mai rapid decât procesoarele Intel (versiunile de Crusoe disponibile acum merg doar la 400Mhz, comparativ cu Pentium, care ajunge la 800);
·        cipul într-adevăr consumă mult mai puţină energie şi are nevoie de mult mai puţină răcire. Transmeta afirmă că asta-l face ideal pentru laptop-uri. Din păcate, principalul consumator de energie într-un laptop nu este procesorul, ci ecranul şi discul, aşa încât avantajele noului cip vor fi marginale;
·        Crusoe se bucură de compatibilitate cu setul de instrucţiuni x86; dar pentru platformele pe care x86 este dominant (desktop, laptop, chiar şi server) am văzut că performanţa lui este insuficientă. Dacă Crusoe vrea să concureze pentru celelalte pieţe, de procesoare integrate (embedded computing), atunci are de-a face cu alţi competitori formidabili, ca procesoarele de semnal de la Motorola, Texas Instruments şi Intel (ARM), asupra cărora nu este clar câte avantaje are.
Probabil că pentru a rămâne viabil, Crusoe va trebui să se metamorfozeze şi să devină mai complicat, folosind şi o serie de mecanisme dinamice de creştere a performanţei.
În definitiv există o singură resursă aproape gratuită şi care este în cantităţi suficiente: numărul de tranzistori. Datorită miniaturizării numărul de tranzistori disponibili pentru design creşte enorm; de aceea simplitatea cu orice preţ (aşa cum o încarnează Crusoe) nu este neapărat o calitate.
Constrângerile fizice
Proiectanţii de microprocesoare se lovesc în ziua de azi de mai multe dificultăţi. Nici una dintre ele nu e insurmontabilă, dar soluţiile sunt din ce în ce mai grele. Vom arunca o privire asupra unora dintre ele; încercarea de a extrapola impactul acestor bariere în viitor va sugera apoi soluţii pentru depăşirea lor.
Accesul la memorie
După cum am văzut în figura "Performanţe - memorii şi procesoare", în ultimii 10 ani viteza memoriilor a crescut cu 10% pe an, în timp ce viteza procesoarelor a crescut cu o rata de 60%. Toate motivele ne îndeamnă să credem că această disparitate va continua să se accentueze, şi că preţul relativ al unui acces la memorie (măsurat în cicli de ceas) va continua să crească.
Putere
Un alt factor care limitează evoluţia circuitelor integrate este consumul de putere; în urmă cu 15 ani un procesor consuma 2 waţi; astăzi un procesor ca Alpha 80364 consumă 100W; de aici rezultă limitări pentru ceas (puterea consumată creşte cu frecvenţa ceasului), şi necesitatea unor dispozitive speciale de răcire.
Din fericire tehnologia lucrează în direcţia favorabilă: miniaturizarea duce la scăderea puterii necesare. Un alt factor care duce la scăderea puterii consumate este scăderea tensiunilor de alimentare.
Interesant este faptul că, deşi dimensiunea tranzistorilor a scăzut într-una, dimensiunile circuitelor fabricate au crescut: foamea neostoită a designerilor cere suprafeţe din ce în ce mai mari ale plăcuţelor de siliciu; de aceea puterea consumată a crescut şi ea.
Complexitate
Un factor deloc neglijabil este complexitatea enormă a circuitelor. Procesoarele cele mai moderne au peste 25 de milioane de tranzistoare, iar în câţiva ani designerii vor avea la dispoziţie un miliard. Astfel de circuite sunt foarte greu de verificat şi testat. La ora actuală o companie ca Intel cheltuieşte 40% din budget pentru proiectare şi dezvoltare, şi 60% pentru verificare şi testare!
O altă problemă importantă este legată de liniile tehnologice de fabricaţie: o astfel de instalaţie costă la ora actuală două miliarde de dolari. Puţine companii îşi pot permite investiţii de asemenea anvergură pentru o tehnologie care se schimbă în 3 ani!
Sârmele
E clar că miniaturizarea nu va putea continua în acelaşi ritm exponenţial: peste ceva vreme am ajunge la necesitatea de a face un tranzistor mai mic decât un atom, ceea ce e evident imposibil. Dar chiar înainte de a atinge un astfel de prag, vom avea alte probleme de înfruntat.
O analiză extrem de interesantă a fost făcută de Mark Horowitz, profesor la universitatea Stanford, într-un articol intitulat "Viitorul sârmelor". Articolul porneşte de la caracteristicile electrice ale semiconductorilor şi analizează o serie de scenarii posibile pentru tehnologiile de fabricaţie. Textul ia în considerare tot felul de factori, cum ar fi geometria sârmelor, capacităţi şi rezistenţe, disiparea puterii etc. Vom ignora toate aceste detalii, însă vom privi una din concluziile la care autorul ajunge.
Autorul observă că în general sârmele vor evolua în sensul dorit: vor deveni mai scurte, iar viteza de transmisiune a informaţiei nu va scădea, relativ la dimensiunea circuitului. Deci dacă am lua un microprocesor de astăzi şi l-am reduce la scară, sârmele nu ar constitui un impediment în funcţionarea sa corectă.
Problema apare însă din faptul că de fapt suprafaţa circuitelor nu scade, din cauză că designerii adaugă noi module. O mare problemă sunt sârmele care traversează mai multe module. Lungimea acestora rămâne practic constantă, în milimetri. Ori, cum viteza ceasului creşte mereu, asta înseamnă că semnalele electrice nu mai au timp să parcurgă sârmele de la un capăt la altul. La 1Ghz, lumina străbate în vid 30 de centimetri. Dar viteza luminii în solide este mai mică iar viteza de propagare scade semnificativ odată cu numărul de "consumatori" ai sârmei (adică o sârmă conectată la 3 circuite e mult mai lentă decât una cuplată la doar două). De asemenea, liniile lungi de transmisiune vor avea nevoie de amplificatoare, care încetinesc substanţial semnalul.
Asta înseamnă că circuitele viitorului nu vor mai putea comunica prin semnale globale: pur şi simplu va fi imposibil pentru o sârmă să unească diferitele părţi ale circuitului. Aceasta este o consecinţă de cea mai mare importanţă pentru arhitecturile viitoare!
Zgomotul
În fine, pe măsură ce tranzistorii sunt mai mici, sârmele sunt mai subţiri şi consumul de putere este mai mare, circuitele sunt mai sensibile la zgomot, fie el termic, din mediu (de exemplu radiaţii cosmice) sau, în curând, chiar efecte cuantice! Fenomenele de transport din semiconductori pe care se bazează tranzistorul sunt fenomene statistice: or, când dimensiunile devin atât de mici încât numai câţiva electroni produc semnalele, statistica nu mai operează iar excepţiile încep să apară.
Generaţia următoare
În această ultimă secţiune vom încerca să discernem ce ne oferă viitorul. Marile companii lucrează simultan la mai multe generaţii ale unui procesor, cu echipe independente, ca atare ceva din ceea ce viitorul ne rezervă poate fi observat în produsele comerciale în curs de proiectare, în măsura în care companiile dezvăluie astfel de informaţii.
Cercetarea în arhitectura procesoarelor este efervescentă, atât în industrie cât şi în universităţi; este absolut imposibil de urmărit întregul peisaj. Iată însă unele dintre direcţii:
Evoluţie incrementală
Un efort substanţial este în continuare depus în a perfecţiona tehnicile care în ultimii 15 ani au servit atât de bine arhitectura, pe care le-am descris mai sus: exploatarea paralelismului la nivel de instrucţiune şi ierarhiile de memorie.
Iată unele dintre tendinţe:
Trace cache: este un cache pentru instrucţiuni care, în loc de a păstra instrucţiunile în ordinea adreselor lor, le menţine în ordinea în care este probabil să fie executate.
Execuţia speculativă şi predicţia valorilor: într-un articol anterior din PC Report (din iulie 1999) am văzut că principala limitare în calea execuţiei paralele a instrucţiunilor sunt dependenţele între instrucţiuni: una are nevoie de rezultatul alteia pentru a se executa. Or, dacă prima instrucţiune durează mult, atunci a doua nu se poate executa nici ea. Soluţia ades folosită este de a ghici valoarea rezultată şi de a executa şi instrucţiunea dependentă. Când rezultatul primei instrucţiuni soseşte, este comparat cu cel ghicit (prezis); dacă predicţia a fost corectă, toate sunt bune, altfel instrucţiunea dependentă este re-executată. Există felurite forme de predicţie a valorilor, unele folosite deja de multă vreme (cum ar fi predicţia salturilor, pe care am descris-o în PC Report din august 1999), dar este plauzibil ca scheme din ce în ce mai sofisticate să-şi facă apariţia.
Execuţia predicată, care este deja folosită de procesoare de prelucrare de semnal ca Texas Instruments C6X, şi care va fi una din trăsăturile fundamentale ale noii arhitecturi de la Intel, Merced. Execuţia predicată evită execuţia instrucţiunilor de salt (care au un efect negativ asupra performanţei, aşa cum am arătat în articolul mai sus-citat) şi preferă să execute instrucţiuni în mod inutil după care să arunce rezultatele la gunoi (de exemplu, când avem o structură de genul if-then-else, o arhitectură predicată poate executa ambele ramuri ale condiţiei, dar va permite numai uneia dintre ele să-şi facă efectele vizibile).
Multi-procesoare
Aşa cum am văzut, proiectanţii tind să înghesuie din ce în ce mai multe circuite pe aceeaşi pilulă de siliciu. O evoluţie naturală este de a face saltul de la mai multe procesoare legate printr-o magistrală comună (ca în cazul sistemelor cu multiprocesoare simetrice, pe care le-am descris în PC Report din noiembrie 1998) în procesoare strâns cuplate, pe aceeaşi pilulă de siliciu.
De fapt, astfel de scheme există deja: procesorul pentru mainframes IBM S/390 are două nuclee identice, care execută sincron acelaşi program: în cazul în care rezultatele nu sunt identice se execută o excepţie şi programul este reluat. Acesta este un exemplu în care mai multe resurse sunt folosite pentru o fiabilitate sporită, dar IBM a anunţat că viitorul lor procesor G5 va conţine două nuclee independente pe aceeaşi pilulă, permiţând realizarea unor sisteme multi-procesor cu un singur cip.
Multithreading
O evoluţie naturală ar fi spre a exploata alte forme de paralelism decât cel la nivel de instrucţiune (ILP). Calculatoarele moderne exploatează excelent paralelismul la nivel de proces, dar există forme intermediare, şi trebuie să ne aşteptăm să vedem arhitecturi din ce în ce mai orientate spre acestea:
·        Paralelism la nivel de buclă: în care iteraţii succesive ale unei bucle sunt executate în paralel.
·        Paralelism la nivel de thread; despre multithreading am scris un articol amplu în PC Report din ianuarie 1997.
Există o sumă de inovaţii arhitecturale legate de aceste tehnologii, încă ne-integrate în produse comerciale. Să privim cîteva dintre ele:
·        Thread-level data speculation: este o metodă de a implementa paralelismul la nivel de buclă, lansând câte un thread pentru fiecare iteraţie a buclei. De exemplu, proiectul STAMPede de la Universitatea Carnegie Mellon, condus de profesorul Todd Mowry explorează această alternativă (http://www.cs.cmu.edu/ ~tcm/STAMPede.html).
·        Simultaneous multi-threading, propus la universitatea din Seattle în 1995. Această tehnologie menţine starea fiecărui thread în hardware şi permite comutarea rapidă între thread-uri. Putem distinge două variante, ca în caseta "Multithreading": într-una din variante, în fiecare ciclu de ceas putem executa instrucţiuni dintr-un alt thread, şi alta, în care în fiecare ciclu, instrucţiuni din thread-uri diferite candidează pentru unităţi funcţionale diferite.
Avantajul unor astfel de scheme este că, dacă un thread execută operaţii care au nevoie de mult timp (de exemplu accese la memorie), putem alte thread-uri care sunt gata de execuţie, folosind mai eficient unităţile funcţionale ale procesorului.
Dincolo de legea lui Moore
În fine, voi încheia acest articol cu o privire extrem de sumară asupra unor proiecte de cercetare ambiţioase, care încearcă să privească nu numai în viitorul imediat, ci să anticipeze peisajul calculatoarelor peste zece ani şi mai mult. La acea dată barierele impuse de fizică vor fi atinse, aşa că trebuie să ne aşteptăm la o încetinire a vertiginoasei creşteri de performanţă. Dar chiar şi aşa, numărul uriaş de resurse puse la dispoziţie trebuie să fie folosit cumva; iată unele posibilităţi:
IRAM, Smart Memory
Proiectul IRAM (Intelligent RAM) de la Berkeley este condus de David Patterson (http://iram.cs. berkeley.edu/) şi îşi propune integrarea tehnologiilor de fabricaţie a memoriilor şi procesoarelor (la ora actuală liniile de fabricaţie sunt complet diferite). IRAM încearcă să evite disparitatea de acces la memorii împingând o multitudine de procesoare micuţe printre celulele de memorie, unde pot lucra independent.
Un proiect foarte asemănător este cel de la Stanford, al profesorului Mark Horowitz, numit Smart Memories (http://velox. stanford.edu/smart_memories/).
Aceste proiecte încearcă să depăşească problema accesului lent la memorie prin distribuirea unităţilor de procesare printre memorii, astfel încât accesul să fie paralel şi rapid. De asemenea, astfel de scheme, în care calculul este distribuit în multe unităţi independente, face ca impactul "sârmelor lungi" să fie redus.
RAW
Proiectul RAW de la MIT (http://www.cag.lcs.mit.edu/raw/) atacă problema dintr-un cu totul alt punct de vedere: maşina RAW constă din foarte multe procesoare, relativ simple, construite pe aceeaşi pilulă de siliciu. Aceste procesoare cooperează pentru a executa o singură aplicaţie, care este paralelizată automat de compilator.
Imagine
Un proiect foarte interesant este Imagine (http://cva.stanford.edu /imagine/cva_imagine.html), dezvoltat la universitatea Stanford sub conducerea lui William Dally. Proiectul, orientat mai degrabă pe procesarea de semnal, propune un nou model de programare, orientat spre multimedia, în care paralelismul datelor este făcut explicit prin noţiunea de flux (stream). De exemplu, pentru a afişa scene complicate pe ecran, prelucrarea transformă datele dintr-un flux de obiecte într-un flux de poligoane, care devin un flux de triunghiuri, apoi un flux de pixeli şi aşa mai departe.
PipeRench şi Brass
În fine, menţionez două proiecte care încearcă să îmbine hardware-ul reconfigurabil cu procesoarele tradiţionale: proiectul Brass de la Berkeley (http://http.cs.berkeley. edu/projects/brass/), condus de John Wawrzynek, şi proiectul PipeRench de la Carnegie Mellon, condus de Seth Goldstein şi Herman Schmit (http://www.ece. cmu.edu/research/piperench/).
Am vorbit altă dată pe larg despre hardware-ul reconfigurabil (PC Report din iulie 1998). Fiecare poartă universală poate fi programată să execute orice funcţie logică, iar comutatoarele pot cupla şi decupla sârmele (vezi figura "Hardware reconfigurabil"). Porţile universale se pot implementa din mici celule RAM. Astfel se pot sintetiza unităţi funcţionale extrem de complexe, care pot opera uneori mult mai eficient decât un procesor de uz general.
Concluzii
Am văzut în acest articol că performanţa microprocesoarelor s-a situat pe o curbă exponenţială în toţi cei treizeci de ani de la crearea lor. Am văzut că miniaturizarea şi tehnicile de design contribuie în mod egal la aceste spectaculoase creşteri. De asemenea, am văzut că creşterea aceasta se apropie de sfârşit, datorită unor bariere fizice fundamentale. În fine, am încercat să profeţim unele din tehnologiile care-şi vor face apariţia în generaţiile următoare de procesoare.





loading...