6.2.2 Суперскалярная архитектура.

Конвейеры в процессорах компании Intel появились, только начиная с 486-ой модели, содержавшей один конвейер. Pentium содержит 2 конвейера из 5 стадий (рис.6.7), причём главный конвейер U-конвейер может выполнять произвольные команды, второй- V-конвейер может выполнять только простые команды и одну команду с плавающей точкой (FXCH).

В процессорах Intel все операции с плавающей точкой выполняет специальное устройство FPU с собственными регистрами и набором команд, начиная с 486 встроено в основной процессор, ранее сопроцессор FXCH.

Имеются сложные правила определения совместимости пар команд. Pentium содержит особые компиляторы, которые объединяют совместимые команды в пары и могут порождать программы, выполняющиеся быстрее чем в предыдущих версиях процессоров.

Переход к большему количеству конвейеров возможен, но требует создания громоздкого аппаратного обеспечения, поэтому используется другой подход. Основная идея – один конвейер с большим количеством функциональных блоков, для обозначения этого подхода был введён термин суперскалярная архитектура. Стадия 3 выпускает команды значительно быстрее, чем стадия 4 способна их выполнять, поэтому вводится несколько функциональных блоков 4 стадии. Большинство функциональных блоков 4-ой стадии для выполнения требуют значительно больше времени, чем занимает один цикл (это блоки доступа к памяти, блок выполнения операция с плавающей точкой).

Основной объем вычислительной нагрузки приходятся на скалярные вычисления, то есть на обработку одиночных операндов. Для подобных вычислений дополнительный параллелизм реализуется значительно сложнее и, в частности, возможен при использовании суперскалярных процессоров.

Суперскалярным называется центральный процессор, который одновременно выполняет более чем одну скалярную операцию. Это достигается за счет включения в центральный процессор нескольких самостоятельных функциональных (испольнительных) блоков, каждый из которых отвечает за свой класс операций и может присутствовать в процессоре в нескольких экземплярах (рис.6.8).

Суперскалярные процессоры конца 90-х годов могли исполнять до 4-6 инструкций за один машинный цикл. На практике они выполняют в среднем 1,5 инструкции за такт. «Продвинутые» суперскалярные процессоры (Advanced superscalar) смогут выполнять от 16 до 32 инструкций за такт. Чем это обернется на практике, пока сказать трудно, но и для «суперскалярной» архитектуры существенным ограничением является поток обрабатываемых данных.

В общем виде «продвинутая» суперскалярная архитектура состоит из 24 - 48 высокооптимизированных конвейерных блоков (например, блоков, выполняющих операции с плавающей точкой или обрабатывающих целые числа). Как и в простых суперскалярных архитектурах, каждый блок получает свое собственное временное место хранения, где накапливается очередь инструкций, выполняемых данным блоком.

Более совершенное предсказание ветвлений - еще одна задача ближайшего будущего, и она тесно связана с предсказанием адресации: процессор попытается предсказать адреса ячеек памяти, которые будут затребованы последующими инструкциями, и вызвать их содержимое заранее.