Kỹ thuật vi xử lý- chương 6: Cácvi xử lý và công nghệ tiên tiến potx

Các vi xử lý Pentium M  Là VXL được thiết kế cho các máy tính xách tay: tiêu thụ điện năng thấp, hiệu năng cao  Các tính năng tiên tiến của  Advanced Branch Prediction and Data P

BÀI GIẢNG MÔN

KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

Điện thoại/E-mail: dauhx@ptit.edu.vn

CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ

CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN

NỘI DUNG

A Giới thiệu các VXL dựa trên kiến trúc IA-32 và Intel 64

1 Các vi xử lý x86 (8086, 80286, 80386, 80486)

2 Các vi xử lý dòng Intel Pentium (Pen I, II, III, M và IV)

3 Các vi xử lý dòng Xeon, Core và Atom

B Các kiến trúc & công nghệ VXL tiên tiến

4 Vi kiến trúc P6

5 Mô tơ thực thi không theo trật tự (Out of Order Execution)

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

7 Vi kiến trúc Intel Core

8 Vi kiến trúc Intel Atom

1 Các vi xử lý x86 - 8086

 8086 là VXL đầu tiên của kiến

trúc IA-32

 Thanh ghi 16 bits

 Bus: data bus 16-bit; address

bus 20-bit

 Không gian bộ nhớ max: 1MB

 Bộ nhớ được phân đoạn

(segmentation): mỗi đoạn có

kích thước 64KB

 Địa chỉ logic ô nhớ:

Segment : Offset Địa chỉ đoạn : địa chỉ lệch

1 Các vi xử lý x86 - 80386

 Là VXL 32-bit đầu tiên của dòng kiến trúc

IA-32

 Sử dụng các thanh ghi 32 bits

 Data bus 32-bit, address bus 32-bit

 Không gian bộ nhớ max: 4GB

 Tương thích tốt với các VXL 8086 và 286

 Hỗ trợ thực hiện lệnh song song

 Hỗ trợ các phương thức quản lý bộ nhớ:

 Phân đoạn (Segment Memory Model)

 Phân trang (Page Memory Model)

 Tuyến tính (Flat Memory Model)

1 Các vi xử lý x86 - 80486

 Hỗ trợ thực hiện lệnh song song

tốt hơn 386

 Việc thực hiện lệnh được chia

thành 5 giai đoạn: 5 lệnh chạy

song song trong pipeline

 Tích hợp cache L1 8KB

 Tích hợp đồng xử lý số thực 487

 Tích hợp khả năng quản lý nguồn

và quản lý hệ thống

 Đường dữ liệu trong 128 và 256 bits

 Bus dữ liệu ngoài có thể tăng lên 64

bits

 Hỗ trợ công nghệ MMX (sử dụng

SIMD)

mới hỗ trợ công nghệ siêu

phân luồng

2 Các vi xử lý Pentium M

 Là VXL được thiết kế cho các

máy tính xách tay: tiêu thụ điện

năng thấp, hiệu năng cao

 Các tính năng tiên tiến của

 Advanced Branch Prediction

and Data Prefetch Logic

 Hỗ trợ các tập lệnh MMX,

SSE và SSE2

 Công nghệ quản lý nguồn tiên

tiến Intel Speedstep

3 Các vi xử lý dòng Xeon

 Được thiết kế riêng cho các máy

chủ nhiều CPU có hiệu năng cao

 Các VXL Intel Xeon dựa trên vi

kiến trúc Intel P6, NetBurst và

Core

 Dòng Intel Xeon MP hỗ trợ công

nghệ siêu phân luồng

(hyper-threading)

 Dòng Intel Xeon 5100 dựa trên vi

kiến trúc Core và Intel 64 tiết kiệm

năng lượng và cho hiệu năng cao

Đồng thời nó cũng hỗ trợ công

nghệ ảo hoá (Virtualization

Technology)

3 Các vi xử lý dòng Core Duo & Core Solo

 Dựa trên vi kiến trúc Core Core

Solo đơn nhân có nhiều cải tiến

so với Pentium M

 Các tính năng tiên tiến:

 Smart Cache cho phép chia sẻ

dữ liệu giữa 2 nhân

 Cải tiến pha giải mã và thực

hiện các lệnh SIMD

 Các công nghệ giảm tiêu hao

điện: Dynamic Power Coordination và Enhanced Intel Deeper Sleep

 Intel Advanced Thermal

Manager sử dụng các sensor

số

tiêu thụ ít năng lượng

 Các đặc điểm tiên tiến:

 Enhanced SpeedStep

Technology

 Deep Power Down

Technology with Dynamic Cache Sizing

 Intel Virutalization Technology

 Intel 64 architechure

4 Vi kiến trúc P6

4 Vi kiến trúc P6

 Vi kiến trúc P6 đầu tiên được sử dụng trong Pentium Pro (sau Pen I) Sau đó kiến trúc này được tích hợp thêm

cache L2 (còn gọi là Advanced Transfer Cache)

 Vi kiến trúc P6 hỗ trợ ống lệnh siêu vô hướng có khả

năng thực hiện trung bình 3 lệnh/CK đồng hồ

 Ống lệnh của P6 gồm 12 giai đoạn có hỗ trợ thực hiện

lệnh không theo trật tự (out-of-order execution)

4 Vi kiến trúc P6

 Hạt nhân của vi kiến trúc P6 là cơ chế thực hiện lệnh

không theo trật tự (out-of-order execution) hay còn gọi là thực thi động (dynamic execution)

 Cơ chế thực thi động gồm 3 phần:

1 Deep Branch Prediction: cho phép VXL giải mã các lệnh

bên ngoài các lệnh rẽ nhánh giúp cho ống lệnh luôn được điền đầy P6 được tích hợp các thuật toán dự đoán rẽ

nhánh được tối ưu hoá ở mức cao để dự đoán hướng thực hiện của lệnh;

2 Dynamic data flow analysis: yêu cầu phân tích luồng dữ

liệu chuyển qua VXL theo thời gian thực để xác định các phụ thuộc và khả năng thực hiện các lệnh không theo trật tự;

4 Vi kiến trúc P6

 Cơ chế thực thi động gồm 3 phần:

3 Speculative execution:

• VXL có khả năng thực hiện các lệnh bên ngoài một lệnh rẽ nhánh

có điều kiện chưa được thực hiện xong;

• Sau đó hệ thống sẽ lưu kết quả của lệnh theo trật tự ban đầu của các lệnh

• P6 thực hiện Speculative execution bằng cách:

– Tách việc thực hiện lệnh khỏi việc xử lý kết quả – Sử dụng kết quả phân tích luồng dữ liệu để thực hiện tất cả các lệnh sắn có và lưu kết quả vào các thanh ghi tạm thời

– Khối Retirement Unit sẽ tìm các lệnh đã thực hiện xong và không còn phụ thuộc dữ liệu cũng như liên quan đến các lệnh rẽ nhánh chưa hoàn thất để xử lý và lưu kết quả ra bộ nhớ theo trật tự ban đầu của

nó

5 Mô tơ thực thi không theo trật tự

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

 The Rapid Execution Engine

 Các ALU chạy với tốc độ gấp đôi tần số của CPU

 Các lệnh cơ sở với số nguyên có thể được thực hiện trong ½ CK đồng hồ

 Hyper-Pipelined Technology

 Ống lệnh dài cho phép CPU hoạt động với xung nhịp rất cao

 Có khả năng mở rộng tốt trong tương lai

 Advanced Dynamic Execution

 Deep, out-of-order, speculative execution engine

• Tối đa 126 lệnh được xử lý đồng thời

• Tối đa nạp đồng thời 48 lệnh, lưu được 24 lệnh

 Khả năng dự đoán rẽ nhánh được cải tiến

• Giảm được penalty khi đoán sai - điều thường gặp với các ống lệnh dài (nhiều giai đoạn)

• Sử dụng thuật toán dự đoán rẽ nhánh tiên tiến

• Mảng lưu các đích rẽ nhánh chứa được 4K phần tử

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

 Hệ thống cache mới

 Cache L1 (64 bytes/line)

• Advanced Execution Trace Cache lưu các lệnh đã giải mã

• Execution Trace Cache triệt tiêu trễ giải mã trong vòng lặp thực hiện lệnh

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

 Kiến trúc siêu vô hướng tăng tốc xử lý song song tốt hơn

 Mở rộng tập thanh ghi phần cứng sử dụng với kỹ thuật đổi tên thanh ghi  giảm các hạn chế với không gian tên của thanh ghi

 NetBurst Out-Of-Order Execution Core

 Cung cấp khả năng thực hiện các lệnh không theo trật tự  nâng cao khả năng xử lý song song

 Các lệnh có thể được sắp xếp lại sao cho nếu một vi thao tác

bị trễ thì các vi thao tác khác sẽ được thay thế thực hiện

 CPU sử dụng một số bộ đệm để lưu luồng các vi thao tác

 Có khả năng tiếp nhận để thực hiện đồng thời đến 6 vi thao

6 Vi kiến trúc Intel NetBurst

7 Vi kiến trúc Intel Core

7 Vi kiến trúc Intel Core

 Intel Wide Dynamic Execution

 Ống lệnh 14 giai đoạn

 3 ALU

 4 bộ giải mã có khả năng giải mã đến 5 lệnh/1 CK đồng hồ

 Macro-fusion và micro-fusion nhằm cải thiện thông lượng

 Có khả năng tiếp nhận thực thi đến 6 vi thao tác/1 CK đồng

7 Vi kiến trúc Intel Core

 Intel Advanced Smart Cache

 Cache L2 có dung lượng đến 4MB với 16 đường kết hợp

 Tối ưu hoá truy nhập cho nhiều nhân và các môi trường thực thi đơn luồng

 Sử dụng bus 256 bit cho trao đổi dữ liệu giữa cache L2 và L1

 Smart Memory Access

 Sử dụng các kỹ thuật đọc trước từ bộ nhớ để giảm miss cho cache khi lệnh được thực thi không theo trật tự:

• Đọc trước sử dụng phần cứng để giảm trễ trong trường hợp gặp miss ở cache L2

• Đọc trước sử dụng phần cứng để giảm trễ trong trường hợp gặp miss ở cache L1

• Sử dụng kỹ thuật Memory disambiguation cho phép nâng cao hiệu quả của mô tơ thực thi speculative execution

7 Vi kiến trúc Intel Core

 Advanced Digital Media Boost

 Có khả năng thực hiện các lệnh hầu hết các lệnh SIMD 128 bits trong 1 CK đồng hồ

 Có khả năng thực hiện đến 8 thao tác dấu phảy động trong 1

CK đồng hồ

 Cung cấp 3 cổng tiếp nhận các lệnh SIMD để thực hiện

7 Vi kiến trúc Intel Core

lý nhiều dạng rẽ nhánh và nâng cáo hiệu quả dự đoán

 Thuật toán dự đoán rẽ nhánh hướng dẫn đơn vị đọc lệnh đọc các lệnh có khả năng được thực hiện cao để giải mã

7 Vi kiến trúc Intel Core

 The Execution Core:

 Có khả năng tiếp nhận & thực thi đến 6 vi thao tác trong 1

8 Vi kiến trúc Atom

8 Vi kiến trúc Atom

 Vi kiến trúc Atom được tối ưu hoá cho hiệu năng và tiết kiệm điện năng cho các hệ thống đơn và đa luồng sử dụng các kỹ thuật:

 Advanced Micro-Ops Execution

 Intel Smart Cache

 Efficient Memory Access

 Intel Digital Media Boost

 Intel Virtual Technology

 Atom được sử dụng phổ biến trong các thiết bị “siêu di

động” như netbook

9 Tập lệnh SIMD

 SIMD – Single Instruction Multiple Data bắt đầu được sử

dụng trong các CPU kể từ Pentium II và Pentium II MMX

phục vụ các ứng dụng đồ hoạ

 SIMD có nhiều mở rộng: MMX, SSE (Streaming SIMD

Extensions), SSE2, SSE3, SSSE3 (Supplemental SSE3) và SSE4

 Các lệnh SIMD với số nguyên sử dụng các thanh ghi 64-bit MMX hoặc 128-bit XMM

 Các lệnh SIMD với số thực sử dụng các thanh ghi 128-bit XMM

 SSE2 mở rộng khả năng của SSE - hỗ trợ các lệnh số

nguyên với các thanh ghi XMM 128 bits

 SSE3, SSE4 cung cấp các lệnh xử lý hiệu quả các số thực dấu phảy động

10 Công nghệ Hyper-Threading

 Hyper-Threading Technology (HT Technology ) được phát triển để cải thiện hiệu năng cho các VXL dựa trên kiến trúc IA-32 khi sử dụng với:

 Các HĐH đa luồng (multi-threaded)

 Các ứng dụng đơn luồng chạy trong môi trường đa nhiệm

 HT Technology cho phép một CPU vật lý hai hay nhiều

luồng mã lệnh đồng thời sử dụng các tài nguyên chia sẻ

 Mỗi luồng có thể coi như 1 CPU logic với đầy đủ tập các

thanh ghi của nó: thanh ghi dữ liệu, đoạn, điều khiển và

debug

10 Công nghệ Hyper-Threading

11 Kiến trúc Intel 64

 Không gian địa chỉ:

 64 bits không gian địa chỉ tuyến tính cho phần mềm

 40 bits không gian địa chỉ vật lý

12 Công nghệ ảo hoá

 Công nghệ ảo hoá (Virtualization Technology):

 Là sự kết hợp của các công nghệ phần cứng và phần mềm để tạo ra các máy ảo (Virtual Machines (VMs));

 Cho phép trừu tượng hoá phần cứng để một máy tính có thể hoạt động giống như có nhiều máy tính

 Ưu điểm của công nghệ ảo hoá:

 Giảm số máy vật lý, nhưng vẫn đảm bảo số nền tảng đa dạng theo yêu cầu;

 Tiết kiệm không gian vật lý, điện năng và các tiện ích phục vụ khác;

 Hữu ích trong việc phát triển và kiểm thử phần mềm – cần nhiều môi trường để test;

 Hỗ trợ việc cân bằng tải động và khôi phục sau sự cố;

 Tạo nhiều desktops ảo trên một máy vật lý

12 Công nghệ ảo hoá

12 Công nghệ ảo hoá

 Virtual Machine Monitor (VMM)

 VMM là thành phần trung tâm của công nghệ ảo hoá

 Điểm khó khăn nhất trong thiết kế VMM là vấn đề điểu khiển

sử dụng tài nguyên vật lý một cách hiệu quả:

• Vấn đề ánh xạ bộ nhớ

• Vấn đề ánh xạ các thiết bị vào ra

 Hỗ trợ ảo hoá của Intel CPU giúp cho:

 Giảm tải cho các thao tác của VMM

 Tăng tốc và năng lực của VMM

 Giảm độ phức tạp khi phát triển VMM

12 Công nghệ ảo hoá - VMWare