Архитектура Pentium процессора

     Суперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с INTEL  двухконвеерную  индустриальную архитектуру,  позволяющую  процессору  достигать  новых уровней производительности посредством выполнения  более,  чем одной команды  за  один  период тактовой частоты.  Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру,  которая содержит более одного вычислительного блока.  Эти вычислительные блоки,  или конвейеры,  являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

     Появление суперскалярной архитектуры  Pentium  процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы  INTEL.  Например, процессор Intel486  способен  выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты,  однако предыдущие  семейства процессоров фирмы  INTEL  требовали  множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

     Возможность выполнять  множество  команд  за  один период тактовой частоты существует благодаря тому,  что Pentium  процессор имеет   два   конвейера,  которые  могут  выполнять  две инструкции одновременно. Так же, как и Intel486 с одним конвейером, двойной конвеер Pentium процессора выполняет простую команду за пять этапов: предварительная подготовка, первое декодирование (декодирование  команды),  второе декодирование (генерация адреса), выполнение и обратная выгрузка. Это позволяет нескольким командам находиться в различных стадиях выполнения,  увеличивя тем самым вычислительную производительность.

Каждый  конвеер имеет свое арифметическо-логическое устройство (ALU), совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэширования  данных.  Так  же как и процессор Intel486,  Pentium процессор использует аппаратное выполнение команд,  заменяющее множество  микрокоманд,  используемых  в предыдуших семействах микропроцессоров.  Эти инструкции включают загрузки, запоминания и простые операции АЛУ, которые могут выполняться аппаратными средствами процессора,  без использования микрокода.  Это повышает производительность без затрагивания совместимости.  В случае выполнения более сложных  команд,  для  дополнительного ускорения производительности выполнения расширенного микрокода Pentium процессора для выполнения команд используются оба конвеера суперскалярной архитектуры.

      В результате этих архитектурных нововведений,  по сравнению с предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд может быть выполнено за одно и то же время.

     Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре,  это введение раздельного кэширования. Кэширование  увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней  системной  памяти для некоторых команд.  Процессор Intel486,  например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновремен

но для  кэширования программного кода и данных.

     Проектировщики фирмы INTEL обошли это ограничение использованием дополнительного контура,  выполненного на 3.1 миллионах транзисторов Pentium процессора (для сравнения,  Intel486 содержит 1.2  миллиона  транзисторов)  создающих  раздельное внутреннее кэширование программного кода и данных. Это улучшает производительность посредством исключения конфликтов на шине и делает двойное кэширование доступным чаще,  чем это  было возможно ранее. Например, во время фазы предварительной подготовки, используется код команды,  полученный из кэша команд. В случае наличия одного блока кэш-памяти, возможен конфликт между процессом предварительной подготовки команды и  доступом  к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и данных исключает такие конфликты,  давая возможность  обеим  командам выполняться одновременно.  Кэш-память программного кода и данных Pentium процессора содержит по 8 KB информации  каждая,  и каждая  организована  как  набор двухканального ассоциативного кэша  -  предназначенная  для  записи  только   предварительно просмотренного специфицированного 32-байтного сегмента, причем быстрее,  чем внешний кэш. Все эти особенности расширения производительности  потребовали использования 64-битовой внутренней шины данных, которая обеспечивает возможность двойного кэширования и суперскалярной конвеерной обработки одновременно с загрузкой следующих данных.  Кэш данных имеет два  интерфейса, по одному для каждого из конвееров,  что позволяет ему обеспечивать данными две одельные инструкции в течение одного машинного цикла.  После того, как данные достаются из кэша, они записываются в главную память в режиме  обратной  записи.  Такая техника кэширования   дает   лучшую   производительность,  чем простое кэширование с непосредственной  записью,  при  котором процессор записывает  данные одновременно в кэш и основную память. Тем не менне,  Pentium  процессор  способен  динамически конфигурироваться для поддержки кэширования с непосредственной записью.

     Таким образом,  кэширование данных использует два различных великолепных решения:  кэш с обратной записью и  алгоритм, названный MESI (модификация, исключение, распределение, освобождение) протокол.  Кэш с обратной записью позволяет  записывать в  кэш  без  обращения  к  основной  памяти  в отличие от используемого до этого непосредственного простого кэширования.

Эти решения  увеличивают производитльность посредством использования преобразованной шины и  предупредительного  исключения самого узкого  места  в системе.  В свою очередь MESI-протокол позволяет данным в кэш-памяти и внешней памяти совпадать - великолепное  решение  в  усовершенствованных мультипроцессорных системах,  где различные процессоры могут использовать для работы одни и те же данные.