酷睿微体系结构笔记

微处理器体系结构的研究.zip 本讲座介绍了当代微处理器微体系结构的研究。重点是实现方面,讨论它们在最先进设计的性能,功率和成本方面的含义。本讲座首先概述了不同类型的微处理器,并回顾了高速缓存的微体系结构。然后,它描述了获取单元的实现,其中特别强调了对分支预测所需的支持。下一节专门讨论指令解码,特别关注解码x86指令的特定支持。下一章介绍了分配阶段,并特别注意寄存器重命名的实现。之后,研究了发布阶段。这里,描述了实现存储器和非存储器指令的无序问题的逻辑。下一章重点介绍指令的执行,并介绍当代微处理器中可以找到的不同功能单元,以及旁路网络的实现,这对性能有重要影响。最后,选择以提交阶段结束,其中描述了在例外或错误猜测的情况下如何更新和恢复架构状态。 立即下载


酷睿微体系结构,基于Pentium M的微体系结构,是片内多个核(cmp)的实现。

设计的原则是平衡能耗的基础上尽可能的提高性能,即提高每瓦特性能(能效比)。


相比前代的主要改进:


宽位动态执行(Wide Dynamic Execution)

宽位动态执行实际上就是提高IPC,从而提高性能。(Perf = Freq x IPC)

增加了一组解码器。拥有4组解码器,比上代Pentium Pro (P6) / Pentium II / Pentium III / Pentium M架构拥有的3组可多处理一组指令。实际上就是从3发射升级到了4发射。

在提升每个时钟周期的指令数方面做了很多努力,典型的就是新引入的宏融合(Macro-Fusion)技术,它可以让处理器在解码的同时,将同类的指令融合为单一的指令,这样可以减少处理的指令总数,让处理器在更短的时间内处理更多的指令。为此亦改良了ALU (算术逻辑单元)以支持宏融合技术。



高级智能高速缓存(Advanced Smart Cache)

酷睿微结构体系结构采用了共享二级缓存的做法。这样的好处是,两个核心可以共享二级缓存,大幅提高了二级高速缓存的命中率,从而可以较少通过前端串行总线和北桥进行外围交换。

而以往的多核心处理器,其每个核心的二级缓存是各自独立的,这就造成了二级缓存不能够被充分利用,并且两个核心之间的数据交换路线也更为冗长,必须要通过共享的前端串行总线和北桥来进行数据交换,影响了处理器工作效率。

每个核心都可以动态支配全部二级高速缓存。当某一个内核当前对缓存的利用较低时,另一个内核就可以动态增加占用二级缓存的比例。甚至当其中的一个内核关闭时,仍可以保持全部缓存在工作状态,另外也可以根据需求关闭部分缓存来降低功耗。

这样可以降低二级缓存的命中失误,减少数据延迟,改进处理器效率。



智能功率能力(Intelligent Power Capability)

在制程技术方面做了优化,采用了先进的65nm应变硅技术、加入低K栅介质及增加金属层,相比上代90nm制程减少漏电达1000倍。

值得注意的是,英特尔加入了超精细的逻辑控制机能独立开关各运算单元,具体来讲,酷睿微体系结构采用先进的功率门控技术。以往功率门控技术实现起来十分困难,因为元件开关过程需要消耗一定的能源,而且由休眠到恢复工作也会出现延迟,但酷睿微体系结构已经解决这些问题。

通过该特性,可以智能地打开当前需要运行的子系统,而其他部分则处于休眠状态,这样将大幅降低处理器的功耗及发热。


智能内存访问(Smart Memory Access)

通过缩短内存延迟来优化内存数据访问。智能内存访问能够预测系统的需要,提前载入或预取数据。

以前我们要从内存中读取数据,就需要等待处理器完成前面的所以指令后才可以进行,这样的效率显然是低下的。酷睿微体系结构中引入一项名为内存消歧的能力,它可以对内存读取顺序做出分析,智能地预测和装载下一条指令所需要的数据,这样能够减少处理器的等待时间,减少闲置,同时降低内存读取的延迟,而且它可以侦测出冲突并重新读取正确的资料及重新执行指令,保证运算结果不会出错误,大大提高了执行效率。



高级数字媒体增强(Advanced Digital Media Boost)

高级数字媒体增强实际上就是提高IPC,其可以提高 SIMD指令(SSE/SSE2/SSE3)的执行效率。

酷睿微体系结构则拥有 128位的SIMD执行能力,一个时钟周期就可以完成一条指令,而前代处理器需要两个时钟周期来处理一条完整指令,效率提高了一倍。



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Jack Tan
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