MIPS-архитектура: «Pentium 4» 80-х годов
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), «процессор без блокировок в конвейере». Основная идея, которой руководствовался Джон Хеннеси, со своей командой проектировавший в 1981 году первый MIPS-процессор, такова. Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный (по тем временам) конвейер, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на эмуляцию этих сложных инструкций. Изначально предполагалось, что MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления - благодаря чему можно было обойтись без сложных в реализации блокировок конвейера[Процедура приостановки конвейера, инициируемая, когда процессору встречается «медленно выполняющаяся» операция, которую невозможно выполнить на какой-то из стадий за один такт. В процессорах тех времен такими операциями являлись умножение и деление; в современных процессорах блокировку может вызвать неудачное обращение в оперативную память, не находящуюся в кэше CPU] (отсюда и название архитектуры). Тем не менее даже в самых первых MIPS’ах блокировки в конвейере, равно как и аппаратные инструкции умножения и деления все-таки присутствовали - «в чистом виде» идея оказалась малопригодной для создания коммерческих процессоров.
В 1984 году Хеннеси с командой покинул Стэндфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems. В 1985 она выпустила первый 32-разрядный MIPS-процессор R2000; в 1988 году - гораздо более быстрый, работающий с виртуальной памятью и поддерживающий многопроцессорность R3000. R3000 стал первым по-настоящему коммерчески успешным MIPS-процессором и использовался в рабочих станциях Silicon Graphics. Кстати, вариант MIPS R3000A хорошо известен в народе как центральный процессор приставки Sony PlayStation
В 1991 году вышел первый 64-разрядный MIPS R4000, легший в основу целого ряда различных процессоров, выпускавшихся по лицензиям другими фирмами. R4000 оказался настолько важен для SGI, что она не колеблясь приобрела испытывавшую тогда финансовые затруднения MIPS Computer Systems и превратила эту компанию в собственное подразделение MIPS Technologies. Тогда же SGI начала продавать лицензии на производство MIPS-процессоров сторонним фирмам, которые взялись разрабатывать свои, улучшенные варианты R4000. Помимо всего прочего, начиная с R4600 и R4700 (разработка Quantum Effects Devices) MIPS-процессоры стали основой для знаменитых маршрутизаторов Cisco, являющихся сегодня неотъемлемой частью большинства крупных сетей, включая Интернет. Использовались 64-разрядные MIPS-процессоры и в приставках: R4300 - в Nintendo 64, R5900 - в PlayStation 2.
В 1994 году вышел R8000 - первый суперскалярный MIPS-процессор; в 1995-м - R10000, улучшенный во всех отношениях вариант R8000, поддерживавший внеочередное исполнение команд в конвейере. Работая на частоте 200 МГц, R10000 был одним из самых быстрых CPU того времени. Пожалуй, на те времена пришелся расцвет архитектуры MIPS - она была столь успешной, что в 1998 году SGI снова сделала из MIPS Technologies отдельную компанию. Правда, «в стиле Тараса Бульбы» («я тебя породил, я тебя и убью»), - SGI сочла дальнейшее развитие MIPS как своей флагманской разработки бесперспективным и решила, когда настанет срок, перевести линейку Silicon Graphics на процессоры архитектуры IA-64 (Intel Itanium).
В итоге дизайн всех последующих MIPS-процессоров основывался на R10000. Изменялись только объем кэш-памяти и постепенно наращивалась тактовая частота. Фактически после прорыва R10000 архитектура MIPS была заброшена[После очередного сообщения о задержке выпуска Itanium, выходила очередная версия MIPS R1xxxx. Причем этих задержек было столько, что MIPS Technologies помаленьку добралась и до R16000A с тактовой частотой 800 МГц], и мало-помалу эти процессоры утратили лидирующее положение в индустрии. В 2001 году топовым CPU от MIPS Technologies был R14000 с тем же старым ядром R10000 и тактовой частотой всего 600 МГц. Конкуренты в лице, к примеру, более совершенных в технологическом плане AMD Athlon уже достигли частот 1,3-1,4 ГГц, были в несколько раз производительнее, а стоили куда меньше. Так что как «тяжелая высокопроизводительная RISC-архитектура» MIPS к началу нового тысячелетия умерла. Но компания MIPS Technologies процветает до сих пор - за счет лицензирования архитектуры сторонним разработчикам.
Еще в 1999 году MIPS Technologies упростила свою лицензионную политику, предложив всем желающим два варианта MIPS-архитектуры: MIPS32 - для 32-разрядных систем и MIPS64 - для 64-разрядных. С тех пор эту технологию лицензировали NEC, Toshiba, Broadcom, Philips, LSI Logic и IDT, выпустившие огромное количество специализированных интегрированных процессоров на ее основе. Сегодня MIPS - самая популярная высокопроизводительная[То есть там, где производительность критична, используется MIPS, а где нет - ARM] архитектура, использующаяся во встраиваемых системах. А это львиная доля сетевых устройств (от роутеров Cisco Systems до небольших мостов домашних и офисных сетей); большая часть процессоров игровых приставок прошлых поколений; процессоры для WiFi и VoIP; кодеры-декодеры MPEG; некоторая часть процессоров терминалов, КПК и сотовых телефонов. Не очень завидная участь для бывшего лидера, но если сравнивать с судьбой SPARC или Alpha - не такая уж и плохая.
Шаг 4. Суперскалярные и Out-of-Order-процессоры
У полноценной конвейеризации, более или менее эффективно обходящей перечисленные выше проблемы, есть одно несомненное достоинство: она настолько сложна, что, единожды реализованная, позволяет легко построить на ее основе целый ряд интересных новшеств. Для начала заметим, что коль уж у нас есть очереди готовых к исполнению инструкций и мы знаем взаимозависимости между ними по данным, есть техника переименования регистров, позволяющая разным инструкциям одновременно задействовать одни и те же регистры для разных целей, и, наконец, есть надежно работающая система сброса конвейера, то мы можем:
Запускать на исполняющие устройства сразу несколько инструкций (если они не зависят друг от друга и могут быть безболезненно выполнены одновременно).
Переупорядочивать независящие друг от друга инструкции так, как сочтем нужным.
Процессоры, использующие первую технику, называются суперскалярными. К примеру, сугубо теоретически, по числу исполнительных устройств, Pentium 4 может выполнять семь инструкций за такт, а Athlon 64 - девять. Реальные цифры, конечно, гораздо скромнее и определяются трудностью полноценной загрузки всех исполнительных устройств, однако Pentium 4 все же способен исполнять в устоявшемся режиме две (при некоторых условиях - четыре), а Athlon 64 - три инструкции за такт, одновременно производя две (A64 - три) операции по адресации и выборке данных из оперативной памяти. Может показаться, что реализация суперскалярного процессора очень проста (достаточно со стадии schedule просто распределять инструкции по разным исполнительным устройствам), однако такой лобовой подход обычно упирается в то, что Front-end процессора перестает успевать загружать исполнительные блоки работой. Поэтому на практике хорошо сделанные суперскалярные архитектуры, подобные AMD K7/K8, приходится специально «затачивать» под суперскалярность.
Процессоры, использующие вторую технику, называются процессорами с внеочередным исполнением инструкций (Out-of-Order processors, OoO). Техника переупорядочивания инструкций замечательна тем, что резко ослабляет негативные эффекты от медленной оперативной памяти и от наличия зависимых цепочек инструкций. Если, например, инструкция A обратилась к оперативной памяти, а нужных данных в кэше не оказалось или если A занимается ожиданием результатов выполнения какой-то другой инструкции, то OoO-процессор сможет пропустить вперед другие инструкции, не зависящие от результатов выполнения инструкции A. Кроме того, продвинутый планировщик OoO-процессора иногда может использоваться для реализации специфических деталей той или иной архитектуры - например, для спекулятивного исполнения по данным в случае Pentium 4 или одновременного исполнения нескольких веток программного кода в IA-64. Реализация OoO-процессоров не требует специальной оптимизации всего конвейера - это всего лишь усложнение схемы планировщиков, запускающих готовые к исполнению инструкции на исполнительные устройства в другом порядке, нежели они на планировщики поступили, плюс усложнение схем сброса конвейера и сохранения полученных результатов: результат выполнения прошедших вне очереди инструкций все равно должен сохраняться в последовательности, строго соответствующей расположению инструкций в изначальном коде[Это связано с тем, что если случится какая-то ошибка, то результаты выполнения запущенных вперед очереди инструкции придется аннулировать].