Основные критерии разработки

Как известно, производительность любого процессора при выполнении заданной программы зависит от трех параметров: такта (или частоты) синхронизации, среднего количества команд, выполняемых за один такт, и общего количества выполняемых в программе команд. Изменить ни один из указанных параметров независимо от других невозможно, поскольку соответствующие базовые технологии взаимосвязаны: частота синхронизации определяется достигнутым уровнем технологии интегральных схем и функциональной организацией процессора, среднее количество тактов на команду зависит от функциональной организации и архитектуры системы команд, а количество выполняемых в программе команд определяется архитектурой системы команд и технологией компиляторов.

Из сказанного ясно, что создание нового высокопроизводительного процессора требует решения сложных вопросов во всех трех направлениях разработки. При этом эффективная с точки зрения стоимости конструкция не может полагаться только на увеличение тактовой частоты. Экономические соображения заставляют разработчиков принимать решения, основой которых является массовая технология. Системы UltraSPARC-1 обеспечивают высокую производительность при достаточно умеренной тактовой частоте (до 200 МГц) путем оптимизации среднего количества команд, выполняемых за один такт. Однако при таком подходе естественно встают вопросы эффективного управления конвейером команд и иерархией памяти системы. Для увеличения производительности необходимо по возможности уменьшить среднее время доступа к памяти и увеличить среднее количество команд, выдаваемых для выполнения в каждом такте, не превышая при этом разумного уровня сложности процессора.

При разработке суперскалярного процессора практически сразу необходимо "расшить" целый ряд узких мест, ограничивающих выдачу для выполнения нескольких команд в каждом такте. Такими узкими местами являются наличие в программном коде зависимостей по управлению и данным, аппаратные ограничения на количество портов в регистровых файлах процессора и устройствах, реализующих иерархию памяти, а также количество целочисленных конвейеров и конвейеров выполнения операций с плавающей точкой.

При создании своего нового процессора UltraSPARC-1 компания Sun решила добиться увеличения производительности процессора в тех направлениях, где это не противоречило экономическим соображениям. Чтобы сократить число потенциальных проблем, было принято несколько конструкторских решений, которые определили основные характеристики UltraSPARC-1:

· Реализация на кристалле раздельной кэш-памяти команд и данных

· Организация широкой выборки команд (128 бит)

· Создание эффективных средств динамического прогнозирования направления переходов

· Реализация девятиступенчатого конвейера, обеспечивающего выдачу для выполнения до четырех команд в каждом такте

· Оптимизация конвейерных операций обращения к памяти

· Реализация команд обмена данными между памятью и регистрами плавающей точки, позволяющая не приостанавливать диспетчеризацию команд обработки

· Реализация на кристалле устройства управления памятью (MMU)

· Расширение набора команд для поддержки графики и обработки изображений

· Реализация новой архитектуры шины UPA

UltraSPARC-I

Процессор UltraSPARC-1 представляет собой высокопроизводительный, высокоинтегрированной суперскалярный процессор, реализующий 64-битовую архитектуру SPARC-V9. В его состав входят: устройство предварительной выборки и диспетчеризации команд, целочисленное исполнительное устройство, устройство плавающей точки с графическим устройством, устройство управления памятью, устройство загрузки/записи, устройство управления внешней кэш-памятью, устройство управления интерфейсом памяти и кэш-памяти команд и данных (рисунок 6.6).

Рис. 6.6. Блок-схема процессора UltraSPARC-1

Устройство предварительной выборки и диспетчеризации команд

Устройство предварительной выборки и диспетчеризации команд процессора UltraSPARC-1 (PDU) обеспечивает выборку команд в буфер команд, окончательную их дешифрацию, группировку и распределение для параллельного выполнения в конвейерных функциональных устройствах процессора. Буфер команд емкостью в 12 команд позволяет согласовать скорость работы памяти со скоростью обработки исполнительных устройств процессора. Команды могут быть предварительно выбраны из любого уровня иерархии памяти, например, из кэш-памяти команд (I-кэша), внешней кэш-памяти (Е-кэша) или из основной памяти системы.

В процессоре реализована схема динамического прогнозирования направления ветвлений программы, основанная на двухбитовой истории переходов и обеспечивающая ускоренную обработку команд условного перехода. Для реализации этой схемы с каждыми двумя командами в I-кэше, связано специальное поле, хранящее двухбитовое значение прогноза. Таким образом, UltraSPARC-1 позволяет хранить информацию о направлении 2048 переходов, что превышает потребности большинства прикладных программ. Поскольку направление перехода может меняться каждый раз, когда обрабатывается соответствующая команда, состояние двух бит прогноза должно каждый раз модифицироваться для отражения реального исхода перехода. Эта схема особенно эффективна при обработке циклов.

Кроме того, в процессоре UltraSPARC-1 с каждыми четырьмя командами в I-кэше связано специальное поле, указывающее на следующую строку кэш-памяти, которая должна выбираться вслед за данной. Использование этого поля позволяет осуществлять выборку командных строк в соответствии с выполняемыми переходами, что обеспечивает для программ с большим числом ветвлений практически ту же самую пропускную способность команд, что и на линейном участке программы. Способность быстро выбрать команды по прогнозируемому целевому адресу команды перехода является очень важной для оптимизации производительности суперскалярного процессора и позволяет UltraSPARC-1 эффективно выполнять "по предположению" (speculative) достаточно хитроумные последовательности условных переходов.

Используемые в UltraSPARC-1 механизмы динамического прогнозирования направления и свертки переходов сравнительно просты в реализации и обеспечивают высокую производительность. По результатам контрольных испытаний UltraSPARC-1 88% переходов по условиям целочисленных операций и 94% переходов по условиям операций с плавающей точкой предсказываются успешно.

Кэш-память команд

Кэш-память команд (I-кэш) представляет собой двухканальную множественно-ассоциативную кэш-память емкостью 16 Кбайт. Она организована в виде 512 строк, содержащих по 32 байта данных. С каждой строкой связан соответствующий адресный тег. Команды, поступающие для записи в I-кэш проходят предварительное декодирование и записываются в кэш-память вместе с соответствующими признаками, облегчающими их последующую обработку. Окончательное декодирование команд происходит перед их записью в буфер команд.

Организация конвейера

В процессоре UltraSPARC-1 реализован девятиступенчатый конвейер. Это означает, что задержка (время от начала до конца выполнения) большинства команд составляет девять тактов. Однако в любой данный момент времени в процессе обработки могут одновременно находиться до девяти команд, обеспечивая во многих случаях завершение выполнения команд в каждом такте. В действительности эта скорость может быть ниже в связи с природой самих команд, промахами кэш-памяти или другими конфликтами по ресурсам. Первая ступень конвейера - выборка из кэш-памяти команд. На второй ступени команды декодируются и помещаются в буфер команд. Третья ступень, осуществляет группировку и распределение команд по функциональным исполнительным устройствам. В каждом такте на выполнение в исполнительные устройства процессора могут выдаваться по 4 команды (не более двух целочисленных команд или команд плавающей точки/графических команд, одной команды загрузки/записи и одной команды перехода). На следующей ступени происходит выполнение целочисленных команд или вычисляется виртуальный адрес для обращения к памяти, а также осуществляются окончательное декодирование команд плавающей точки (ПТ) и обращение к регистрам ПТ. На пятой ступени происходит обращение к кэш-памяти данных. Определяются попадания и промахи кэш-памяти и разрешаются переходы. При обнаружении промаха кэш-памяти, соответствующая команда загрузки поступает в буфер загрузки. С этого момента целочисленный конвейер ожидает завершения работы конвейеров плавающей точки/графики, которые начинают выполнение соответствующих команд. Затем производится анализ возникновения исключительных ситуаций. На последней ступени все результаты записываются в регистровые файлы и команды изымаются из обработки.