Кеш-пам'ять мікропроцесорів фірм Intel і AMD

12

Львівський державний інститут новітніх технологій та управління

ім. В. Чорновола

Курсовий проект

на тему:

Кеш-пам'ять мікропроцесорів фірм Intel і AMD

Виконав:

студ. гр. КІ-31

Митюк Ярослав

Львів-2010

Зміст

Введення

1. Стратегія розміщення.

2. Змішана і розділена кеш-пам'ять.

3. Pentium III

4. Pentium IV

5. AMD-K6 ®-III

6. AMD Athlon.

7. Порівняння деяких Intel і AMD

Введення

В якості елементної бази основної пам'яті в більшості ЕОМ використовуються мікросхеми динамічних ОЗУ, на порядок поступаються за швидкодією центрального процесора. У результаті, процесор змушений простоювати кілька періодів тактової частоти, поки інформація з ІМС пам'яті встановиться на шині даних ЕОМ. Якщо ж ВП виконати на швидких мікросхемах статичної пам'яті, вартість ЕОМ зросте досить істотно.

Економічне прийнятне рішення цієї проблеми можливе при використанні дворівневої пам'яті, коли між основною пам'яттю і процесором розміщується невелика, але швидкодіюча буферна пам'ять або кеш-пам'ять. Разом з основною пам'яттю вона входить в ієрархічну структуру і її дія еквівалентно швидкому доступу до основної пам'яті. Використання кеш-пам'яті дозволяє уникнути повного заповнення всієї машини швидкої RAM пам'яттю. Зазвичай програма використовує пам'ять будь-якої обмеженої області, зберігаючи потрібну інформацію в кеш-пам'яті, робота з якою дозволяє процесору обходитися без всяких циклів очікування. У великих універсальних ЕОМ, основна пам'ять яких має ємність близько 1-32 Гбайт, зазвичай використовується кеш-пам'ять ємність 1-12 Мбайт, тобто ємність кеш-пам'ять складає близько 1/100-1/500 ємності основної пам'яті, а швидкодія в 5-10 разів вище швидкодії основної пам'яті. Вибір об'єму кеш-пам'яті - завжди компроміс між вартісними показниками (в порівнянні з ОП) та її ємністю, яка повинна бути досить великою, щоб середній час доступу в системі, яка складається із основної і кеш-пам'яті, визначалося часом доступу до останньої. Реальна ефективність використання кеш-пам'яті залежить від характеру вирішуваних завдань і неможливо визначити заздалегідь, який обсяг її буде дійсно оптимальним.

Не всяка кеш-пам'ять рівнозначна. Велике значення має той факт, як багато інформації може містити кеш-пам'ять. Чим більше кеш-пам'ять, тим більше інформації може бути в ній розміщене, а отже, тим більше ймовірність, що потрібний байт буде міститися в цій швидкої пам'яті. Очевидно, що найкращий варіант - це коли об'єм кеш-пам'яті відповідає обсягу всієї оперативної пам'яті. У цьому випадку вся інша пам'ять стає не потрібною. Вкрай протилежна ситуація - 1 байт кеш-пам'яті - теж не має практичного значення, тому що ймовірність того, що потрібна інформація виявиться в цьому байті, прямує до нуля.

У процесі роботи такої системи в буферну пам'ять копіюються ті ділянки ВП, до яких проводиться звернення з боку процесора. Виграш досягається за рахунок властивості локальності, зважаючи на велику ймовірність звернення процесором до команд, які лежать в сусідніх комірках пам'яті.

Кеш-пам'ять, що складається з m слів, зберігає копії не менше, ніж m-слів з усіх слів основної пам'яті. Якщо копія, до адресою якої був виконаний доступ ЦП, існує в кеш-пам'яті, то зчитування завершується вже при доступі до кеш-пам'яті. Відзначимо, що використання кеш-пам'яті грунтується на принципах просторової і тимчасової локальності. У разі просторової локальності основна пам'ять розбивається на блоки з фіксованим числом слів і обмін даними між основною пам'яттю та кеш-пам'яттю виконується блоками. При доступі до деякого адресою центральний процесор повинен спочатку визначити чи містить кеш-пам'ять копію блоку з вказаною адресою, і якщо є, то визначити, з якого адреси кеш-пам'яті починається цей блок. Цю інформацію ЦП отримує за допомогою механізму перетворення адрес.

1. Стратегія розміщення.

На складність цього механізму істотний вплив надає стратегія розміщення, що визначає, в яке місце кеш-пам'яті слід помістити кожен блок з основної пам'яті.

Залежно від способу розміщення даних основної пам'яті в кеш-пам'яті існує три типи кеш-пам'яті:

кеш з прямим відображенням (розміщенням);

повністю асоціативний кеш;

множинний асоціативний кеш або частково-асоціативний.

Кеш з прямим відображенням (розміщенням) є найпростішим типом буфера. Адреса пам'яті однозначно визначає рядок кеша, в яку буде поміщений блок інформації. При цьому передбачається, що оперативна пам'ять розбита на блоки і кожному такому блоку в буфері відводиться всього один рядок. Це простий і недорогий у реалізації спосіб відображення. Основний його недолік - жорстке закріплення за певними блоками ВП одного рядка в кеші. Тому, якщо програма по черзі звертається до слів з двох різних блоків, що відображаються на одну й ту ж рядок кеш-пам'яті, постійно буде відбуватися оновлення цього рядка і вірогідність попадання буде низькою.

Кеш з повністю асоціативним відображенням дозволяє подолати недолік прямого, дозволяючи завантаження будь-якого блоку ВП в будь-який рядок кеш-пам'яті. Логіка управління виділяє в адресі ВП два поля: поле тега і поле слова. Поле тега збігається з адресою блоку ВП. Для перевірки наявності копії блоку в кеш-пам'яті, логіка управління кеша повинна одночасно перевірити теги всіх рядків на збіг з полем тега адреси. Асоціативне відображення забезпечує гнучкість при виборі рядка для знову записуваного блоку. Принциповий недолік цього способу - в необхідності використання дорогої асоціативної пам'яті.

Множинне-асоціативний тип або частково-асоціативний тип відображення - це один з можливих компромісів, що поєднує достоїнства прямого та асоціативного способів. Кеш-пам'ять (і тегів і даних) розбивається на деяку кількість модулів. Залежність між модулем і блоками ВП така ж жорстка, як і при прямому відображенні. А ось розміщення блоків по рядках модуля довільне і для пошуку потрібної рядка в межах модуля використовується асоціативний принцип. Цей спосіб відображення найбільш широко поширений в сучасних мікропроцесорах.

Відображення секторів ВП в кеш-пам'яті.

Даний тип відображення застосовується у всіх сучасних ЕОМ і полягає в тому, що вся ВП розбивається на сектори, що складаються з фіксованого числа послідовних блоків. Кеш-пам'ять також розбивається на сектори, що містять таку ж кількість рядків. Розташування блоків в секторі ВП та секторі кешу повністю співпадає. Відображення сектора на кеш-пам'ять здійснюється асоціативно, ті будь-який сектор з ОП може бути поміщений в будь-якій сектор кеша. Таким чином, в процесі роботи АЛУ звертається в пошуках чергової команди до ВП, в результаті чого, в кеш завантажується (у разі відсутності там блоку, що містить цю команду), цілий сектор інформації з ОП, причому за принципом локальності, за рахунок цього досягається значна збільшення швидкодії системи.

2. Змішана і розділена кеш-пам'ять.

Внутрішня кеш-пам'ять використовувалася раніше як для інструкцій (команд), так і для даних. Така пам'ять називалася змішаної, а її архітектура - Прінстонський, в якій в єдиній кеш-пам'яті, відповідно до класичних принципів фон Неймана, зберігалися і команди і дані.

Порівняно недавно стало звичайним розділяти кеш-пам'ять на дві - окремо для інструкцій і окремо для даних.

Перевагою змішаної кеш-пам'яті є те, що при заданому обсязі, їй властива більш висока ймовірність влучень, в порівнянні з розділеною, оскільки в ній автоматично встановлюється оптимальний баланс між інструкціями і даними. Якщо в виконуваному фрагменті програми звернення до пам'яті пов'язані, в основному, з вибіркою інструкцій, а частка звернень до даних відносно мала, кеш-пам'ять має тенденцію заповнення інструкціями і навпаки.

З іншого боку, при роздільному кеш-пам'яті, вибірка інструкцій і даних може відбутися одночасно, при цьому виключаються можливі конфлікти. Останнє особливо істотно в системах, що використовують конвеєризація команд, де процесор витягує команди з випередженням і заповнює ними буфер або конвеєр.

Так, наприклад, в процесорі Intel ® 486 DX2 застосовувалася змішана кеш-пам'ять,

У Intel ® Pentium ® і в AMD Athlon ™ з їх суперскалярна організацією - роздільна. Більш того, в цих процесорах крім кеш-пам'яті інструкцій і кеш-пам'яті даних використовується також і адресна кеш-пам'ять. Цей вид кешу використовується в приладах управління пам'яттю, в тому числі для перетворення віртуальних адрес у фізичні.

Завдяки використанню нанотехнологій, для зниження споживаної потужності, збільшення швидкодії ЕОМ (що досягається скороченням часу обміну даними між процесором і кеш-пам'яттю) існує можливість, а більше того є реальні приклади того, що кеш-пам'ять реалізують в одному кристали з процесором. Така внутрішня кеш-пам'ять реалізується за технологією статичного ОЗП і є найбільш швидкодіючою. Обсяг її зазвичай складає 64-128 Кбайт, причому подальше збільшення її обсягу призводить звичайно до зниження швидкодії через ускладнення схем управління та дешифрування адреси.

Альтернативою, широко застосовується в даний час, є друга (зовнішня) кеш-пам'ять більшого об'єму, розташована між внутрішньою кеш-пам'яттю і ВП. У цій дворівневої системі кеш-пам'яті, внутрішньої пам'яті відводиться роль першого рівня L1, а зовнішньої - другого L2. ємність L2 зазвичай на порядок і більше вище, ніж L1, а швидкодія і вартість нижча. Пам'ять другого рівня також будується зазвичай як статичне ОЗУ. Ємність її може становити від 256 Кбайт до 1 Мбайта і технічно реалізується як у вигляді окремої мікросхеми, однак може розміщуватися і на одному кристалі з процесором.

Найсучасніші процесори від найбільших виробників оснащуються сьогодні кеш-пам'яттю ємністю у Intel Pentium 4 на ядрі Northwood - 512 Кбайт кеш-пам'яті L2, а процесори Prescott будуть випускатися по 0,09-мікронної технології і отримають кеш-пам'ять другого рівня подвоєного обсягу, який складе 1 Мбайт. Intel продовжує широко рекламувати свій "екстремальний" ігровий процесор Pentium 4 Extreme Edition на основі модифікованого серверного ядра Gallatin з тактовою частотою 3,40 ГГц і кеш-пам'яттю третього рівня об'ємом 2 Мбайта. Вона доповнює стандартний нортвудовскій кеш L2 512 Кбайт і теж працює на частоті ядра процесора (правда, з більшою рази в два латентністю). Таким чином, в сумі новий Pentium 4 Extreme Edition має кеш-пам'ять об'ємом 2,5 Мбайт.

Додаткова кеш-пам'ять третього рівня веде початок від серверних процесорів Xeon MP на 0,13-мікронному ядрі Gallatin і не має нічого спільного з прийдешнім 90-нанометрових Prescott, однак цей кристал (ядро) все ж таки трохи переробили з метою підтримки системної шини 800 МГц , зменшення енергоспоживання та ін і спакували в стандартний корпус від поточних Pentium 4. У свою чергу AMD Athlon 64 і AMD Opteron працюють на більш високій частоті 2200 МГц, виробляються по 0,13-мікронної технології (SOI) і містять 105,9 млн. транзисторів і відрізняються від попередніх Athlon XP новим ядром з 64-бітними можливостями обчислень (поряд з поліпшеними 32-бітними на базі колишнього ядра Athlon XP), кеш-пам'яттю другого рівня об'ємом 1 Мбайт (причому кеш у Атлон інклюзивних, тобто повний обсяг з урахуванням 128 Кбайт L1 становить 1152 Кбайт).

При доступі до пам'яті, ЦП спочатку звертається до кеш-пам'яті першого рівня. При промаху проводиться звернення до кеш-пам'яті другого рівня. Якщо інформація відсутня і в L2, проводиться звернення до ВП, і відповідний блок заноситься спочатку в L2, а потім і в L1. Завдяки такій процедурі, часто запитувана інформація може бути легко відновлена з кеш-пам'яті другого рівня.

Потенційна економія за рахунок застосування L2 залежить від імовірності влучень як в L1, так і L2. Однак, досвід Intel і AMD показує, що використання кеш-пам'яті другого рівня суттєво покращує продуктивність. Саме тому в усіх проанонсованих виробниками новітніх версіях процесорів застосовується дворівнева і навіть трирівнева організація кеш-пам'яті.

3. Pentium III

Процесор Intel ® Pentium ® III - процесор архітектури P6, включає в себе: динамічне виконання команд, системну шину з множинними транзакціями і технологію Intel MMX ™ для обробки даних мультимедіа. Технологія виготовлення з роздільною здатністю 0.25 мікрон дозволяє розмістити на кристалі більше 9.5 мільйонів транзисторів. Процесор містить 32 Kб неблокіруемой кеш-пам'яті першого рівня (16Кб/16Кб) та уніфіковану неблокіруемую кеш-пам'ять другого рівня ємністю 512 Кб, що функціонує на вдвічі меншій частоті, ніж ядро. Процесор Intel ® Pentium ® III підтримує кешування пам'яті з об'ємом адресного простору 4 Гб, і дозволяє створювати масштабовані системи з двома процесорами і фізичної пам'яті об'ємом до 64 Гб.

4. Pentium IV

Процесор Pentium 4 встановлює новий рівень продуктивності високопотужних мікропроцесорів.

- Системна шина з частотою 800 Мгц: 3,06 ГГц, 2,80 ГГц, 2,66 ГГц, 2,53 ГГц, 2,40 ГГц B, 2,26 ГГц

- Технологія гіперконвейерной обробки

- Механізм прискореної обробки команд

- Кеш-пам'ять першого рівня з відстеженням виконання команд

- Кеш-пам'ять з покращеною передачею даних

- Покращувана система динамічного виконання команд

- Покращений блок обчислень з плаваючою комою і обробки мультимедіа

- Набір команд потокових SIMD-розширень 2.

- У Intel Pentium 4 на ядрі Northwood - 512 Кбайт кеш-пам'яті L2.

5. AMD-K6 ®-III

Процесор AMD-K6 ®-III, кодове ім'я Sharptooth, в ньому задіяна вбудована швидкодіюча кеш-пам'ять другого рівня (L2). У процесорний кристал інтегровано 256 Кб кеш-пам'яті другого рівня, що працює на повній тактовій частоті процесора.

Процесор AMD-K6 ®-III містить 21.3 мільйона транзисторів і проводиться за 0.25-мікронної технології на тактові частоти 350, 380, 400 і 450 МГц. Об'єм кеш-пам'яті першого рівня (L1), як у всього сімейства K6, дорівнює 64Кб. Процесор AMD-K6 ®-III можна встановлювати в ті ж системні плати Super7 ™, що і AMD-K6 ® -2, при цьому знаходиться на системній платі зовнішня кеш-пам'ять 2 рівня перетворюється на кеш-пам'ять 3 рівня (L3), з якої процесор може спілкуватися з зовнішньої частотою 100 Мгц.

6. AMD Athlon

В даний час процесор AMD Athlon є найшвидшим процесором в світі. Процесор має такі особливості:

Мікроархітектура: Особливість процесора AMD Atlon ™ - це девятипоточная суперскалярна архітектура оптимізовано для високих частот. AMD Athlon ™ містить дев'ять виконуваних потоків: три для адресних операцій, три для цілочисельних обчислень, і три для виконання команд x87.

Архітектура кеш-пам'яті: AMD Athlon ™ має найбільший для платформ x86 кеш L1 (128KB) - у чотири рази перевершує L1 кеш процесора Pentium III (32KB). AMD Athlon ™ також включає високошвидкісний, 64-бітний контролер кеш пам'яті другого рівня (L2), що підтримує об'єм кеш-пам'яті другого рівня від 512Kб до 8Mб.

7. Порівняння деяких Intel і AMD

За утилітам у Pentium 4 Extreme Edition чітко видно кеш-пам'ять третього рівня об'ємом 2 Мбайт, хоча на місці і всі колишні атрибути Northwood.

Аналогічна інформація показана для Athlon 64. Цікаво, що у нового Pentium 4 менший степпінг, ніж у останніх Northwood, - 5 проти 9. За графіком тесту латентності пам'яті для Pentium 4 Extreme Edition можна укласти, що кордон кеш-пам'яті L3 лежить на 2 Мбайт, L2 - на 512 кбайт.

Отже, для двох нових процесорів Intel і AMD характерна перш за все величезна кеш-пам'ять, яка врешті-решт, і має підняти продуктивність кожного з них.

Порівняємо процесори:

-AMD Athlon 64 FX-51 (тактова частота 2200 МГц).

-AMD Athlon XP 3200 + (частота 2200 МГц, FSB 400 МГц).

-Pentium 4 (Northwood) з частотою 3,2 ГГц (FSB 800 МГц).

Pentium 4 Extreme Edition c частотою 3,2 ГГц (FSB 800 МГц).

У даному випадку абсолютна порівняння частот процесорів позбавлена сенсу, оскільки їх мікроархітектури істотно відрізняються (і навіть переслідують різні цілі): в Pentium 4 продуктивність повинна забезпечуватися переважно високою тактовою частотою (для цього і збільшили до двадцяти стадій обчислювальний конвеєр), а в Athlon упор робиться на інші особливості, часом на шкоду тактовій частоті.

Різні підходи в мікроархітектурі не дозволяють адекватно порівнювати процесори на однаковій тактовій частоті.

І приклад тому - різний межа частот при однакових технологічних нормах виробництва: для технології 0,13 мкм масовим межею ядра Pentium 4 є частота 3,2-3,4 ГГц, а в Athlon - 2,2-2,4 ГГц. Тому коректніше порівнювати процесори за межею їх частоти для тієї чи іншої технології виробництва - у даному випадку 3,2 і 2,2 ГГц.

За смузі пропускання двоканальної пам'яті попереду, безумовно, процесор AMD.

Хоча пентіуми відстають від нього помітно менше, ніж Athlon XP 3200 + (всі вони використовують двоканальну DDR400). Athlon 64 FX ближче всіх підійшов до теоретичного межею 6,4 Гбайт / с - на 86%, пентіуми показують приблизно три чверті в штатних режимах роботи (в режимах прискорення чіпсета / пам 'яті ефективність зростає до більш ніж 80%), а Athlon XP утилізує менш половини (з-за вузької системної шини). За швидкістю читання пам'яті Pentium 4 Extreme Edition майже не відрізняється від Northwood (невелике падіння можна пов'язати з вадами методу вимірювання - потоки трохи "застряють" у великому кеші L3), а Athlon 64 FX і тут поза досяжності. Зате по швидкості запису в пам'ять Pentium 4 Extreme Edition на голову випереджає всіх, включаючи Athlon 64 FX.

Список викорастаної літератури

1. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991.

2. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд. 4-е, перераб.и доп. - М.: Финансы и статистика, НПО "Информатика и компьютеры", 1994.

3. Холленд Р. Микропроцессоры и операционные системы: Краткое справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Пятибратов А.П. Вычислительные машины, системы и сети. - М.: Финансы и статистика, 1991.

5. Мячев А.А. Персональные ЭВМ: Краткий энциклопедический справочник. - М.: Финансы и статистика, 1992.