Журнал Компьютерра - Журнал «Компьютерра» №37
Необходимость наличия системы сброса процессора. Поскольку операции FETCH и EXECUTE всегда выделены в отдельные стадии конвейера, то в тех случаях, когда в программном коде происходит разветвление (условный переход), зачастую оказывается, что по какой из веток пойти - пока неизвестно: инструкция, вычисляющая код условия, еще не выполнена[Вот здесь-то и нужны те самые режимы выставления флагов PowerPC, о которых шла речь в сноске 2]. В результате процессор вынужден либо приостанавливать выборку новых инструкций до тех пор, пока не будет вычислен код условия (а это может занять очень много времени и в типичном цикле страшно затормозит процессор), либо, руководствуясь соображениями блока предсказания переходов, «угадывать», какой из переходов скорее всего окажется правильным.
Наконец, конвейер обычно требует наличия специального планировщика (scheduler), призванного решать конфликты по данным. Если в программе идет зависимая цепочка инструкций (когда инструкция-2, следующая за инструкцией-1, использует для своих вычислений данные, только что вычисленные инструкцией-1), а время исполнения одной инструкции (от момента запуска на стадию EXECUTE и до записи полученных результатов в регистры) превосходит один такт, то мы вынуждены придержать выполнение очередной инструкции до тех пор, пока не будет полностью выполнена ее предшественница. К примеру, если мы вычисляем выражение вида A•B+C с сохранением результата в переменной X (XfA•B+C), то процессор, выполняя соответствующую выражению цепочку из двух команд типа R4fR1•R2; R0fR3+R4, должен вначале дождаться, пока первая инструкция сохранит результат умножения A•B, и только потом прибавлять к полученному результату число С. Цепочки зависимых инструкций в программах - скорее правило, нежели исключение, а исполнение команды с записью результата в регистры за один такт - наоборот, скорее исключение, нежели правило, поэтому в той или иной степени с проблемой зависимости по данным любая конвейерная архитектура обязательно сталкивается. Оттого-то в конвейере и появляются сложные декодеры, заранее выявляющие эти зависимости, и планировщики, которые запускают инструкции на исполнение, выдерживая паузу между запуском главной инструкции и зависимой от нее.
Ну как вам список проблем? Идея конвейера в процессоре очень красива на словах и в теории, однако реализовать ее даже в простом варианте чрезвычайно трудно. Но выгода от конвейеризации столь велика и несомненна, что приходится с этими трудностями мириться, ведь ничего лучшего до сих пор не придумано.
В 1991-92 годах корпорация Intel, освоив производство сложнейших кристаллов с более чем миллионом транзисторов, выпустила i486 - классический CISC-процессор архитектуры x86, но с пятистадийным конвейером. Чтобы вы смогли оценить этот рывок, приведу две цифры: тактовую частоту по сравнению с i386 введение конвейера позволило увеличить втрое, а производительность на единицу частоты - вдвое[В i386 многие инструкции выполнялись за несколько тактов; а в i486 среднее «время» исполнения инструкции в тактах удалось снизить почти вдвое]. Правда, расплатой за это стала чудовищная сложность ядра i486; но такие «мелочи» по меркам индустрии центральных процессоров - пустяк: быстро растущие технологические возможности кремниевой технологии уже через пару лет позволили освоить производство i486 всем желающим. Но к тому моменту RISC-архитектуры сделали еще один шаг вперед - к суперскалярным процессорам
MIPS-архитектура: «Pentium 4» 80-х годов
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), «процессор без блокировок в конвейере». Основная идея, которой руководствовался Джон Хеннеси, со своей командой проектировавший в 1981 году первый MIPS-процессор, такова. Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный (по тем временам) конвейер, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на эмуляцию этих сложных инструкций. Изначально предполагалось, что MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления - благодаря чему можно было обойтись без сложных в реализации блокировок конвейера[Процедура приостановки конвейера, инициируемая, когда процессору встречается «медленно выполняющаяся» операция, которую невозможно выполнить на какой-то из стадий за один такт. В процессорах тех времен такими операциями являлись умножение и деление; в современных процессорах блокировку может вызвать неудачное обращение в оперативную память, не находящуюся в кэше CPU] (отсюда и название архитектуры). Тем не менее даже в самых первых MIPS’ах блокировки в конвейере, равно как и аппаратные инструкции умножения и деления все-таки присутствовали - «в чистом виде» идея оказалась малопригодной для создания коммерческих процессоров.
В 1984 году Хеннеси с командой покинул Стэндфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems. В 1985 она выпустила первый 32-разрядный MIPS-процессор R2000; в 1988 году - гораздо более быстрый, работающий с виртуальной памятью и поддерживающий многопроцессорность R3000. R3000 стал первым по-настоящему коммерчески успешным MIPS-процессором и использовался в рабочих станциях Silicon Graphics. Кстати, вариант MIPS R3000A хорошо известен в народе как центральный процессор приставки Sony PlayStation
В 1991 году вышел первый 64-разрядный MIPS R4000, легший в основу целого ряда различных процессоров, выпускавшихся по лицензиям другими фирмами. R4000 оказался настолько важен для SGI, что она не колеблясь приобрела испытывавшую тогда финансовые затруднения MIPS Computer Systems и превратила эту компанию в собственное подразделение MIPS Technologies. Тогда же SGI начала продавать лицензии на производство MIPS-процессоров сторонним фирмам, которые взялись разрабатывать свои, улучшенные варианты R4000. Помимо всего прочего, начиная с R4600 и R4700 (разработка Quantum Effects Devices) MIPS-процессоры стали основой для знаменитых маршрутизаторов Cisco, являющихся сегодня неотъемлемой частью большинства крупных сетей, включая Интернет. Использовались 64-разрядные MIPS-процессоры и в приставках: R4300 - в Nintendo 64, R5900 - в PlayStation 2.
В 1994 году вышел R8000 - первый суперскалярный MIPS-процессор; в 1995-м - R10000, улучшенный во всех отношениях вариант R8000, поддерживавший внеочередное исполнение команд в конвейере. Работая на частоте 200 МГц, R10000 был одним из самых быстрых CPU того времени. Пожалуй, на те времена пришелся расцвет архитектуры MIPS - она была столь успешной, что в 1998 году SGI снова сделала из MIPS Technologies отдельную компанию. Правда, «в стиле Тараса Бульбы» («я тебя породил, я тебя и убью»), - SGI сочла дальнейшее развитие MIPS как своей флагманской разработки бесперспективным и решила, когда настанет срок, перевести линейку Silicon Graphics на процессоры архитектуры IA-64 (Intel Itanium).
В итоге дизайн всех последующих MIPS-процессоров основывался на R10000. Изменялись только объем кэш-памяти и постепенно наращивалась тактовая частота. Фактически после прорыва R10000 архитектура MIPS была заброшена[После очередного сообщения о задержке выпуска Itanium, выходила очередная версия MIPS R1xxxx. Причем этих задержек было столько, что MIPS Technologies помаленьку добралась и до R16000A с тактовой частотой 800 МГц], и мало-помалу эти процессоры утратили лидирующее положение в индустрии. В 2001 году топовым CPU от MIPS Technologies был R14000 с тем же старым ядром R10000 и тактовой частотой всего 600 МГц. Конкуренты в лице, к примеру, более совершенных в технологическом плане AMD Athlon уже достигли частот 1,3-1,4 ГГц, были в несколько раз производительнее, а стоили куда меньше. Так что как «тяжелая высокопроизводительная RISC-архитектура» MIPS к началу нового тысячелетия умерла. Но компания MIPS Technologies процветает до сих пор - за счет лицензирования архитектуры сторонним разработчикам.
Еще в 1999 году MIPS Technologies упростила свою лицензионную политику, предложив всем желающим два варианта MIPS-архитектуры: MIPS32 - для 32-разрядных систем и MIPS64 - для 64-разрядных. С тех пор эту технологию лицензировали NEC, Toshiba, Broadcom, Philips, LSI Logic и IDT, выпустившие огромное количество специализированных интегрированных процессоров на ее основе. Сегодня MIPS - самая популярная высокопроизводительная[То есть там, где производительность критична, используется MIPS, а где нет - ARM] архитектура, использующаяся во встраиваемых системах. А это львиная доля сетевых устройств (от роутеров Cisco Systems до небольших мостов домашних и офисных сетей); большая часть процессоров игровых приставок прошлых поколений; процессоры для WiFi и VoIP; кодеры-декодеры MPEG; некоторая часть процессоров терминалов, КПК и сотовых телефонов. Не очень завидная участь для бывшего лидера, но если сравнивать с судьбой SPARC или Alpha - не такая уж и плохая.
Шаг 4. Суперскалярные и Out-of-Order-процессоры
У полноценной конвейеризации, более или менее эффективно обходящей перечисленные выше проблемы, есть одно несомненное достоинство: она настолько сложна, что, единожды реализованная, позволяет легко построить на ее основе целый ряд интересных новшеств. Для начала заметим, что коль уж у нас есть очереди готовых к исполнению инструкций и мы знаем взаимозависимости между ними по данным, есть техника переименования регистров, позволяющая разным инструкциям одновременно задействовать одни и те же регистры для разных целей, и, наконец, есть надежно работающая система сброса конвейера, то мы можем:
