Введение

В общем смысле под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различные микроархитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к максимальному повышению производительности (скорости исполнения программ).

Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории - RISC и CISC.

Процессоры х86 относятся к архитектуре CISC и имеют самую сложную в мире систему команд. Хорошо ли это, вопрос спорный, но груз совместимости с программным обеспечением для IBM PC, имеющим уже 20-летнюю историю, не позволяет расставаться с этим "наследием тяжелого прошлого". В процессорах семейства х86, начиная с 486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро.

Развитие

В 1971 г. фирма Intel выпустила микропроцессор серии 4004 - "интегральное микропрограммируемое вычислительное устройство", представляющее собой однокристальный центральный процессор, имеющий в своем составе 4-разрядный параллельный сумматор, 16 4-х-разрядных регистров, накапливающий сумматор и стек. Микропроцессор 4004 был реализован на 2300 транзисторах и мог выполнять 45 различных команд. Последующие поколения микропроцессоров, представляющие собой 8-, 16- и 32-разрядные устройства, появились соответственно в 1972, 1974 и 1981гг.

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что дало возможность увеличить производительность в 10 раз по сравнению с 8080. Кроме того, размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен - до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти. 8086 унаследовал большую часть множества микрокоманд 8086. Регистры нового процессора были разработаны таким образом, что они могли обрабатывать как 16-ти битные значения, так и 8-мибитные - также как это делал 8080. Память 8086 была также доработана специальным образом. Весь мегабайт оперативной памяти был разделен на 16 сегментов величиной по 64К. Таким образом, память 8086 можно было представить как объединенную вместе память нескольких 8080. 8086 работал с каждым сегментом по отдельности, не позволяя большим информационным структурам переходить через границы сегментов.

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.

Через год после презентации 8086, Intel объявил о разработке микропроцессора 8088. Он являлся близнецом 8086: 16-битные регистры , 20 адресных линий, тот же набор микрокоманд - все то же, за исключением одного,- шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло полностью использовать широко распространенные в то время 8-битные элементы технического обеспечения.

Как шаг назад в истории разработки микропроцессоров Intel 8088 мог потеряться в истории, не реши IBM реализовать свой первый персональный компьютер на его базе. Выбор IBM был объясним. Восьми битная шина данных позволяла использовать имеющиеся на рынке микросхемы. Шестнадцати битная внутренняя структура давала важные преимущества по сравнению с существующими микропроцессорами. По большому счету, все эти преимущества были временными, а в некоторых случаях и иллюзорными. Но восьми битный чип был еще и не дорогим. Последнее явилось более важным аргументом, чем 16-битные регистры и легко адаптируемые программы CP/M.

В 1982 году был представлен микропроцессор 80186. Этот чип стал базовым для создания целого ряда совместимых компьютеров и реализации турборежима. Так же был создан микропроцессор 80188 - приемник 8088.

Презентация IBM персонального компьютера AT в 1984 году сфокусировала все внимание на другой микропроцессор Intel 80286. Сам по себе микропроцессор был представлен еще в 1982 году. Естественно у 8086 и 80286 много общего, но 80286 обладает дополнительными качествами. Новый микропроцессор использует полную 16-разрядную шину данных и 16-битные внутренние регистры. Он был разработан для работы с частотой в 6 МГц, а затем 8 и 10 МГц. В конечном счете, самым преимуществом Intel 80286 была способность работать с дополнительной памятью. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086 80286 имел 24-разрядную шину. Эти дополнительные четыре разряда давали возможность увеличить максимум адресуемой памяти до 16 М. Intel 80286 позволил также использовать виртуальную память. 80286 снабжен специальными средствами, которые дают ему возможность отличать, к реальной или виртуальной памяти относится любой байт. Эти средства реализуются дополнительными схемами, включенными в микропроцессор. Они дают возможность работать с 1Г памяти, включающую в себя 16М физической памяти и 1008М виртуальной. Ко времени появления 80286 IBM PC имела гарантированный успех. Для 8088,8086 было разработано огромное программное обеспечение. Отказ от использования этих разработанных программ ставил под сомнение использование нового чипа. Для обеспечения совместимости с ранее разработанными чипами разработчики Intel 80286 обеспечили его работу в двух режимах: в реальном и защищенном. Реальный режим был скопирован с режима работы 8086. Чтобы использовать улучшенные возможности Intel 80286, фирма разработала защищенный режим. Хотя отсутствовала программная совместимость с 8086, этот режим позволял использовать все 16М и даже 1Г виртуальной памяти в программах, работающих в защищенном режиме.

Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32 - Intel Architecture 32 bit) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память - 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены режим V86 и страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC. История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32-разрядной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-разрядной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 80286. С увеличением шины данных до 32 бит, число адресных линий также было увеличено до 32. Само по себе это расширение позволило микропроцессору прямо обращаться к 4Гб физической памяти. Кроме того, он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной памяти. Микропроцессор имел все необходимое для реализации последнего. Огромное преимущество давал способ организации памяти 80386. К ней можно было обращаться, как к одному большому полю, доступному для программ. Разделение памяти на сегменты возможно, но не обязательно. Сегменты могут быть произвольны, а не ограничены по 64К. Кроме того, Intel80386 снабжен 16 байтами сверхоперативной кэш-памяти. Это специально встроенное поле памяти используется для хранения нескольких команд микропроцессора. Независимо от производимых микропроцессором расчетов, специальная схема загружает в эту память код программного обеспечения, прежде чем в нем появится необходимость.

Intel80386 был разработан таким образом, чтобы быть как можно больше похожим на 8086 и 80286. Как и его предшественники, 80386 позволял работать в защищенном режиме с ограничением адресуемой памяти в 1М. В этом режиме он загружал и выполнял все программы, разработанные на процессорах предшествующих поколений. С реального режима Intel80386 мог быть переведен в защищенный режим, где он функционировал подобно 80286, за исключением объема памяти. В этом режиме в распоряжении программиста было больше памяти, и он мог более гибко манипулировать ею, потому что мог изменять размеры сегмента. В противоположность Intel80286-80386 мог переходить из одного режима в другой без перезагрузки машины, а посредством команд программного обеспечения.

Вскоре после создания 80386 были обнаружены ошибки, связанные с его работой при выполнении 32-битных математических операций. Эта проблема не была выявлена в первых PC совместимых компьютерах, реализованных на этом чипе, потому что DOS использует 16-битные операции. Ошибки всплыли наверх только после того, когда 80386 стал работать в 32-битном режиме. Ошибки были быстро обнаружены и исправлены.

Эта история иллюстрирует эффект, вызванный необходимостью обеспечения совместимости с 80x86, поскольку существовавшая база программного обеспечения на каждом шаге была слишком важной.

Процессор Intel486 появился в 1989 году. Семейство процессоров i486 (i486SX, i486DX, i486DX2 и i486DX4), в котором сохранились система команд и методы адресации процессора i386, уже имеет некоторые свойства RISC-микропроцессоров. Например, наиболее употребительные команды выполняются за один такт. Процессоры i486SX и i486DX - это 32-битовые процессоры с внутренней кэш-памятью емкостью 8 Кбайт и 32-битовой шиной данных. Основное отличие между ними заключается в том, что в процессоре i486SX отсутствует интегрированный сопроцессор плавающей точки. Поэтому он имеет меньшую цену и применяется в системах, для которых не очень важна производительность при обработке вещественных чисел. Для этих систем обычно возможно расширение с помощью внешнего сопроцессора i487SX.

Процессоры Intel OverDrive и i486DX2 практически идентичны. Однако кристалл OverDrive имеет корпус, который может устанавливаться в гнездо расширения сопроцессора i487SX, применяемое в ПК на базе i486SX. В процессорах OverDrive и i486DX2 применяется технология удвоения внутренней тактовой частоты, что позволяет увеличить производительность процессора почти на 70%. Процессор i486DX4/100 использует технологию утроения тактовой частоты. Он работает с внутренней тактовой частотой 99 МГц, в то время как внешняя тактовая частота (частота, на которой работает внешняя шина) составляет 33 МГц. Этот процессор практически обеспечивает равные возможности с машинами класса 60 МГц Pentium, являясь их полноценной и доступной по цене альтернативой.

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. В настоящее время имеются также процессоры Pentium, работающие с тактовой частотой 75, 90, 100 и 120 МГц. 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.

Прежде всего, новая микроархитектура процессора Pentium 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 двукратного 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.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. 1996-й называют годом Pentium - появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался "динамическим исполнением", направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе разместили вторичный кэш, работающий на частоте ядра, - для начала объемом 256 Кбайт. Процессор содержит 5,5 млн. транзисторов ядра и 15,5 млн. транзисторов для вторичного КЭШа объемом 256 Кбайт.

В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia Extensions, мультимедийные расширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного КЭШа и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность Pentium ММХ на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты - 166, 200 и 233 МГц.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного КЭШа и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели нехитрым способом - кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате - картридже. Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц (технология 0,35 мкм), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц (технология 0,25 мкм), причем внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц. Вторичный кэш этих процессоров работает на половине частоты ядра.

В 1999 году появились процессоры Pentium III - в них ввели новый блок 128-битных регистров ХММ и новые инструкции, названные SSE. Частота ядра подбирается к 1 ГГц, частота системной шины - 100 и 133 МГц. На базе Pentium II появилось семейство "облегченных" процессоров Celeron, сначала без вторичного КЭШа, а потом и с интегрированным вторичным КЭШем размером 128 Кбайт. Позже процессоры Celeron приобрели и расширение SSE. Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Хеоn, которое охватывает и Pentium II, и Pentium III. Для этих процессоров характерен больший объем вторичного КЭШа, поддержка более чем двух процессорных конфигураций и более крупный картридж. Есть процессоры Pentium II/III и для мобильных применений.

Завершает линию процессоров IA-32 от фирмы Intel процессор Willamette (в начале 2000 года демонстрировался опытный образец с частотой ядра 1,5 ГГц). Его микроархитектура существенно отличается от привычной архитектуры Р. pro. Длинный конвейер упрощает микрооперации каждой стадии, что позволяет повышать тактовую частоту. Первичный кэш имеет объем 256 Кбайт, и в кэше применяется упорядочивание инструкций. Для чисел с плавающей точкой основной упор сделан на инструкции SIMD. В процессоре появился набор инструкций: 76 новых инструкций обработки данных и управления кэшированием. Новые инструкции обработки работают с числами разных форматов, включая учетверенные слова (64 бит) и числа двойной точности с плавающей точкой (64 бит). Процессор имеет совершенно новую шину с тактовой частотой 100 МГц, но передающую до четырех 64-битных пакетов за такт (Quad Pumped) - производительность до 3,2 Гбайт/с. Эта шина является переходной к шине процессоров IA-64.

Фирма Intel сейчас занимается 64-разрядной архитектурой - такая разрядность позволит считать целые числа с числом разрядов почти до 2ґ10¹⁹. Первый представитель 64-разрядных процессоров - Itanium, разрабатываемый под кодовым названием Merced. Его архитектура - IA-64 - обеспечивает совместимость с существующим программным обеспечением для используемой ныне архитектуры IA-32.