Железный сайт

Усовершенствования конвейера CPU

Давайте начнем с того, как в микроархитектуре Sandy Bridge обрабатываются инструкции. Для инструкций имеется четыре декодера. Это означает, что CPU может декодировать до четырех инструкций на такт. Декодеры отвечают за преобразование инструкций IA32 (x86) в микрокоманды RISC (µops), которые используются внутренними исполнительными модулями процессора. Как и в предыдущих процессорах Intel, модули декодирования в микроархитектуре Sandy Bridge поддерживают macro-fusion и micro-fusion. Macro-fusion позволяет CPU объединять две инструкции x86 в одну, а micro-fusion позволяет объединять несколько инструкций в ряд микроопераций.

Новшеством архитектуры Sandy Bridge стало введение кеша декодируемых микрокоманд, который способен хранить 1536 микрокоманд. Intel назвали этот кеш, как “кэш L0”. Идея здесь очевидна. Если на обработку поступает инструкция, то сначала проверяется кэш L0. В случае совпадения, микрооперации загружаются из кэша L0. В результате отпадает потребность повторно декодировать одни и те же инструкции. Когда нужная инструкция уже декодирована, и находится в кеше, блоки декодирования отключаются. Таким образом, кеш L0 позволяет экономить не только время, но и энергопотребление. Согласно данным Intel, 80% обращений к данному кешу успешны.

На первый взгляд данная идея похожа на используемый в микроархитектуре Netburst (Pentium 4) кеш трассировки, который также хранил декодируемые микрокоманды. Но в отличие от кеша микрокоманд он работал по-другому. Кеш трассировки  хранил цепочку инструкций в том же порядке, в которым они обрабатывались. Таким образом, среди этих последовательностей инструкций в кеше сохранялись и одинаковые. Этого удалось избежать в кеше L0, который хранит индивидуальные инструкции.

Модуль предсказания ветвлений в Sandy Bridge также был усовершенствован по сравнению с предыдущим поколением. Размер Branch Target Buffer (BTB) - буфер с результатами предсказания ветвлений был удвоен по сравнению с архитектурой  Nehalem, что является значительным плюсом. Задача блока предсказаний ветвлений заключается в предположении следующих шагов программы и загрузке в CPU нужных инструкций. Если предположение правильно, то работа значительно ускоряется, так как процессору уже не нужно будет тратить время на загрузку данных инструкций из памяти.

Планировщик, используемый в микроархитектуре Sandy Bridge, подобен используемому в Nehalem. Он имеет три порта для работы с памятью и три порта, используемые исполнительными блоками. И хотя конфигурации подобны, микроархитектура Sandy Bridge имеет больше исполнительных блоков: 15 против 12 у Nehalem. (см. рисунок ниже). По словам Intel, в результате данных усовершенствований была увеличена скорость выполнения операций с плавающей точкой (то есть, математических операций).

Каждый исполнительный блок соединен с планировщиком 128-битной шиной данных. Для выполнения новых инструкций AVX, которые несут 256-битные микрокоманды, одновременно используются два исполнительных блока. Как это происходит схематично показано на рисунке ниже.

После того, как инструкция выполнена, она не копируется назад в буфер, как это было в предыдущей архитектуре Intel, а отмечается выполненной. Таким образом, повышается эффективность CPU.

Также различия есть и в работе портов с памятью. Также как в архитектуре Nehalem реализованы три порта для работы с памятью, но два порта, которые раньше сохраняли адреса и загружали данные, теперь могут загружать адреса и данные или выгружать адреса. Третий порт так и остался для сохранения данных. В результате данного изменения пропускная способность кеша выросла на 50%. Теперь за один такт процессор загружает 32 байт и сохраняет 16 байт данных.

Понравилась новость? Поделись с друзьями!