АРХИТЕКТУРА х86: ЧЕТВЕРТЬ ВЕКА РОСТА И РАЗВИТИЯ

Центральный процессор -- один из элементов персонального компьютера, которые быстрее всего совершенствуются из года в год. Мы можем выбрать самую последнюю новинку, обладающую максимальной производительностью, и через три года ее нужно будет менять. Четверть века назад разработкой собственных микропроцессоров занималось множество компаний. Так было до тех пор, пока 8 июня 1978 года корпорация Intel не выпустила чип 8086. История развития архитектуры Intel x86 служит яркой иллюстрацией успехов технологий проектирования современных процессоров, ориентированных на массовый рынок. Именно она стала самой совершенствуемой и доступной среди всех предложенных решений. В июне 2003 года архитектуре x86 исполнилось четверть века -- возраст силы и мудрости. Первый процессор разрабатывался не при помощи систем автоматического проектирования. В то время их еще не существовало. Как вспоминают разработчики, вся схема рисовалась грифелями толщиной 0,5 мм и 0,7 мм, а соединения между ними -- толщиной 0,9 мм. Каждая клеточка на чертеже была эквивалентна микрону. Сегодня разработчики новых процессоров решают все более сложные задачи, опираясь на мощнейшие компьютеры и программные приложения. 8086-8088 Первый процессор с архитектурой x86 -- 8086 -- был анонсирован компанией Intel в июне 1978 года. Он имел 16-битовую разрядность шины данных, то есть за один такт мог обработать 16 бит. Тактовая частота процессора равнялась 5 МГц, и он содержал 29 тысяч транзисторов. (Для сравнения: выпускаемый сегодня процессор Intel Pentium 4 содержит 55 млн. транзисторов и при тактовой частоте 3,06 ГГц работает более чем в 600 раз быстрее). Как и все предшественники процессора 8086, созданные в Intel (несовместимые с ним), он использовался, в основном, для калькуляторов и простых специализированных систем, таких как управление освещением. Через год появился процессор 8088. Он был аналогичен 8086 за исключением ограниченной 8-битной шины данных. Это усовершенствование позволило сделать его более дешевым, а связанное с ним оборудование -- более простым. Именно это и привлекло к нему внимание компании IBM, когда она взялась за разработку своего первого персонального компьютера. В процессорах применялась "малая" конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую инструкцию, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую. На выполнение каждой инструкции уходило в среднем по 12 тактов процессорного ядра. В 1981 г. корпорация IBM выпустила первый ПК на базе процессора 8088. (подпись к фотографии) IBM PC образца 1981 г. с процессором Intel 8088 80286 Процессор 80286 (второе поколение процессоров архитектуры х86), или просто 286, появился в 1982 году, был совместим с 8086 и вскоре стал стандартом для ПК. В нем впервые был использован защищенный режим, позволяющий задействовать виртуальную память размером до 1 Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищенный режим является основой для построения многозадачных операционных систем (ОС). Производительность этих процессоров повысилась не только за счет роста тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера. В них на выполнение инструкции уходило в среднем по 4,5 такта. Во втором поколении появились новые инструкции: системные (для обслуживания механизмов защищенного режима) и несколько прикладных (в том числе для блочного ввода-вывода -- основы программного обмена с портами). К середине 80-х годов стала ясна ограниченность 16-битных процессоров. Они не справлялись с многозадачным режимом и графическими задачами. Поэтому корпорация Intel стала активно разрабатывать 32-битную шину данных и 32-битную внутреннюю архитектуру. При этом первые 16 бит всех регистров следующего процессора 386 имели те же функции, что и 286 процессор, обеспечивая их совместимость. 80386 Процессор третьего поколения -- 386 -- появился в 1985 году и ознаменовал переход к 32-разрядной архитектуре IA-32. Кроме расширения диапазона непосредственно представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне 0-65535 или от -32767 до +32767, 32 бита -- более чем 4 миллиарда), увеличился и объем адресуемой памяти (до 4 Гб реальной, 64 Тб виртуальной). В систему команд ввели возможность переключения разрядности адресации и данных. Защищенный режим был несколько усовершенствован, но оставлена и обратная совместимость с 286. На процессоре 80386 стала стремительно развиваться система MS Windows. В исполнении инструкций не произошло существенных изменений, повлекших за собой сокращение числа тактов на инструкцию, -- те же средние 4,5 такта, но частота уже достигла 40 МГц. 80486 Четвертое поколение -- 486 -- в видимую архитектурную модель больших изменений не внесло (процессор был объявлен в 1989 году), но зато был принят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах значительно усложнен исполнительный конвейер -- основные операции выполняет RISC-ядро, "задания" для которого готовят из входных CISC-инструкций x86. Он стал способным выдавать "на-гора" очередные инструкции в среднем за каждые два такта. Производительность конвейера процессора оторвалась от возможностей доставки инструкций и данных из оперативной памяти, и прямо в процессор ввели быстродействующий первичный кэш объемом 8-16 Кб. В этом же поколении отказались от внешнего сопроцессора: теперь он размещается либо на одном кристалле с центральным, либо его нет вообще. Тактовая частота в этом поколении достигла 100 МГц. Pentium Пятое поколение -- процессор Intel Pentium (май 1993 года) -- привнесло суперскалярную архитектуру, которая означает наличие более одного конвейера. У процессоров пятого поколения после блоков предварительной выборки и первой стадии декодирования инструкций имеются два конвейера: U-конвейер и V-конвейер. Каждый из этих них имеет ступени окончательного декодирования, исполнения инструкций и буфер записи результатов. U-конвейер "умеет" все, у V-конвейера возможности немного скромнее. Конвейеризирован и блок FPU. Процессор с такой архитектурой может одновременно "выпускать" до двух выполненных инструкций, но в среднем получается 1 такт на инструкцию. Не все инструкции могут выполняться парно, эффективность использования конвейеров (коэффициент их загрузки или простоя) зависит от программного кода -- есть широкие возможности оптимизации. В процессорах применяется блок предсказания ветвлений (инструкций программы, выполняемых после очередного условного перехода или вызова), в обязанности которого входит не оставлять конвейеры без работы "на поворотах" алгоритмов. Для быстрого их снабжения инструкциями и данными из памяти шина данных процессоров имеет разрядность 64 бит, из-за чего поначалу их даже ошибочно называли 64-разрядными процессорами. В этом поколении появилось и расширение MMX, новизна которого заключается в принципе SIMD: одна инструкция выполняет действия сразу над несколькими (2, 4 или 8) комплектами операндов. В MMX появился и новый тип арифметики -- с насыщением (saturated): если результат операции не умещается в разрядной сетке, то вместо переполнения (антипереполнения) устанавливается максимально (минимально) возможное значение числа. Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Celeron, Xeon Шестое поколение процессоров Intel (микроархитектура P6) началось с процессора Intel Pentium Pro. Она продолжается по сей день в процессорах Intel Pentium II, Intel Pentium III, Intel Pentium 4, Intel Celeron и Intel Xeon. Его лейтмотивом является динамическое исполнение, что означает исполнение инструкций не в порядке, предписанном программным кодом, а так, как "удобно" процессору. Его ядро содержит несколько конвейеров, к которым подключаются исполнительные устройства целочисленных вычислений, обращений к памяти, предсказания переходов и вычислений с плавающей точкой. Результаты "беспорядочно" выполняемых микроопераций собираются в переупорядочивающем буфере и в корректном порядке записываются в память (и порты ввода-вывода). Чтобы можно было одновременно выполнять разные инструкции с одними и теми же программно-адресуемыми регистрами, внутри процессора выполняется аппаратное переименование регистров (их у процессора больше, чем доступных по программной модели). Конечно, при этом учитывается и связь по данным, которая сковывает "беспорядочные" параллельные исполнения, даже пользуясь дополнительными регистрами. В процессорах 6-го поколения реализовано исполнение по предположению: процессор пытается исполнить инструкцию, последующую (по его мнению) за переходом еще до самого перехода. В итоге всех этих ухищрений среднее число тактов на инструкцию у процессора Intel Pentium Pro сократилось до 0,5 такта. В систему команд были введены новые инструкции, позволяющие писать более эффективные коды (с точки зрения минимизации ветвлений). Недавно специалисты аналитической компании Mercury Research подсчитали, что с учетом объемов производства компонентов для настольных, мобильных и серверных систем корпорация Intel преодолела рубеж в один миллиард процессоров еще в апреле текущего года, то есть менее чем через 25 лет после дебюта процессора 8086. Полупроводниковая продукция корпорации Intel используется в портативных вычислительных устройствах, настольных и мобильных ПК, серверах, сетевом и коммуникационном оборудовании, а также в расчетно-кассовых терминалах и медицинской аппаратуре. Если поделить миллиард процессоров на двадцать пять без малого лет, то получится (в среднем), что ежесекундно на протяжении четверти века на свет появлялось по одному процессору Intel. Таким образом, ежемесячно корпорация Intel выпускала по 3,3 миллиона процессоров, а ежегодно -- чуть больше 40 миллионов! Аналитики из Mercury Research полагают, что следующий миллиард процессоров на базе архитектуры X86 может быть выпущен уже к 2007 году, и в обозримом будущем количество процессоров превысит число людей на нашей планете. Архитектура x86 отмечает свой 25-летний юбилей в расцвете сил. Она проникла буквально в каждый офис и дом. Без персональных компьютеров сегодня немыслимо ни одно мало-мальски серьезное дело, не говоря уж о развлечениях. При этом процессоры Intel Pentium 4, Intel Celeron и Intel Xeon постоянно совершенствуются, осваивая все новые и новые задачи. Виктор Сергеев
Весь номер

Новости партнеров: