Современные процессоры Intel. Структура и принцип работы

суперскалярная архитектура означает, что процессор содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки чаще называют конвейерами. Наличие в процессоре двух конвейеров позволяет ему одновременно выполнять две команды. Каждый конвейер разделяет процесс выполнения команды на пять этапов:

• 
  считывание команды из ОЗУ или кэш-памяти;
  
• 
  декодирование (дешифрование) команды, т.е. определение кода выполняемой операции;
  
• 
  выполнение команды;
  
• 
  обращение к памяти;
  
• 
  запоминание полученных результатов.
  

Для реализации каждого из перечисленных этапов (каждой операции) служит отдельное устройство - ступень. Таким образом, в каждом конвейере процессора Pentium имеется пять ступеней. При конвейерной обработке на выполнение каждого этапа одни такт синхронизирующей (тактовой) частоты. В каждом новом такте заканчивается выполнение одной команды и начинается выполнение новой команды. Такое выполнение команды называется поточной обработкой.
Образно ее можно сравнить с производственным конвейером, где на каждом участке с разными изделиями выполняют всегда одну и ту же операцию. При этом, когда готовое изделие сходит с конвейера, то на него заходит новое, а остальные изделия в это время находятся на разных стадиях готовности. Переход изготавливаемых изделий с участка на участок должен происходить синхронно, по специальным сигналам (в процессоре это - такты, отсчитываемые тактовым генератором).
Общее время выполнения одной команды в конвейере с пятью ступенями будет составлять пять периодов тактовой частоты. В каждом такте конвейер будет одновременно выполнять пять команд. В результате за пять тактов будет выполнено пять команд. Таким образом, конвейеризация увеличивает п роизводительность процессора, но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Выигрыш получается за счет того, что одновременно обрабатывается сразу несколько команд.
В действительности конвейеризация даже увеличивает время выполнения каждой отдельной команды из-за появления "накладных расходов", связанных с организацией работы конвейера. При этом тактовая частота ограничивается быстродействием работы самой медленной ступени.
Пример. Рассмотрим процесс выполнения команды, у которой длительности выполнения этапов составляют: 60, 30, 40, 50 и 20 нс. Примем накладные расходы на организацию конвейерной обработки: 5 нс. Время выполнения команды в ЭВМ без конвейеризации будет: 60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200нс. Если используется конвейерная организация, то длительность такта должна быть равна длительности самого медленного этапа обработки с учетом накладных расходов, т.е. 60 + 5 = 65 нс. Таким образом, полученное в результате конвейеризации ускорение составит: 200 / 65 = 3.1 раза. Заметим, что время выполнения конвейером одной команды составляет 5 * 65 = 325 нс. Но одновременное выполнение сразу пяти команд дает среднее время выполнения одной команды 65 нс.
Кроме рассмотренных выше двух пятиступенчатых конвейеров для выполнения операций с фиксированной точкой, имеется конвейер с восемью ступенями для вычислений с плавающей точкой. Такие вычисления требуются при выполнении математических расчетов, а также для быстрой обработки динамических трехмерных цветных изображений.
Процессор Pentium имеет две