8 Використання мп фірми intel у

ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОМУ ОБЛАДНАННІ

Більш ніж 50 % сучасного мережного обладнання використовують персональні комп’ютери на основі процесорів фірми Intel та сумісних з ними або вбудовують їх у пристрої шлюзів, маршрутизаторів, інтегрованих платформ, ЕАТС.

У всіх засобах зв’язку, будь-то квазіелектронні АТС, електронні АТС, цифрові системи комутації, шлюзи, маршрутизатори та інші мережні пристрої, інтегровані платформи тощо, використовуються багатопроцесорні системи, як менш двохпроцесорні, або такі, що складаються з двох комп’ютерів. Можливе розподілення між кількома різними процесорами у одній системі функцій керування та цифрового оброблення сигналів. Тоді це універсальний процесор та до 20 — 30 процесорів цифрового оброблення сигналів, як правило, фірм-виробників Motorola, Analog Devices, Texas Instruments.

Централізовані керувальні системи складаються з центрального пристрою керування, периферійних пристроїв керування. Керування усіма процесами на вузлі комутації квазіелектронних АТС виконує двомашинні керувальні комплекси. Наприклад, система комутації “Квант-Е” використовує два персональних комп’ютери на МП Intel 486DX, один комп’ютер виконує усі функції керування у автоматичному режимі, а другий знаходиться у гарячому резерві. У синхронному режимі обидва комп’ютери синхронно виконують одні й ті ж самі функції і на певних станах оброблення порівнюють результати з метою підвищення надійності та достовірності оброблення викликів. У режимі розподілу навантаження обидва комп’ютери обслуговують виклики паралельно, що підвищує продуктивність приблизно в два рази.

Система комутації “Квант-Е” використовує двомашинну систему на базі системних плат IBM PC “PCA-6143 P” із процесором Intel 486DX з тактовою частотою не менше за 133 МГц, а останні моделі використовують процесори Pentium.

Мікропроцесори другого покоління Pentium принципово відрізняється від І80386 своєю суперскалярною архітектурою – здатністю виконувати на своїх конвеєрах до двох інструкцій при частоті 200 МГц. МП Pentium повністю програмно сумісний з попередніми МП Intel і дозволяє використовувати раніш розроблене програмне забезпечення для ПК.

Технічні новації, притаманні мікропроцесорові, є також такі:

• окремі кеш-пам’яті для команд та даних;

• передбачення переходів;

• високопродуктивні операції з плавучою крапкою;

• вдосконалена 64-розрядна шина даних;

• засоби забезпечення цілісності даних;

• засоби керування енергоживленням;

• підтримка багатопроцесорності;

• моніторинг продуктивності;

• підтримка сторінкової пам’яті різних розмірів;

Структурна схема МП Pentium показана на рис. 8.1.

Рисунок 8.1 — Структурна схема МП Pentium

Два конвеєри команд U та V паралельно можуть виконувати дві різні команди. Конвеєр U виконує усі команди, а V – їх обмежений набір більш простих команд.

Кожна кеш-пам'ять процесора Pentium має розмір 8 Кбайт. Буфер трансляції адрес (TLB) перетворює адресу комірки зовнішньої пам’яті у відповідну адресу даних у кеш. У попередніх моделях МП І80386 та І80486 використовувався кеш з наскрозним записом, тобто при кожній модифікації даних у ОЗП дані передавались у кеш. У МП Pentium використовується метод зворотного запису, коли дані записуються у ОЗП тільки при їх видаленні з кеш. Це дозволяє модифікувати дані у кеш без збереження до ОЗП. При роботі МП Pentium у багатопроцесорній системі завдяки протоколу MEST (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) забезпечується узгодженість даних у всіх кеш мікропроцесорів системи і у основній пам’яті.

Завбачення переходів у програмах реалізується завдяки буферові BTB (Branch Target Buffer) і двом буферам попередньої вибірки. Один з них використовується для попередньої вибірки команди у припущенні, що переходу не буде, а інший виконує передвибірку інструкцій у буфер, використовуючи вміст BTB (запам’ятовуване при першому виконанні переходу). Такий алгоритм не тільки прогнозує вибір простих гілок, але й виконує складне завбачення у вкладених циклах, завдяки тому, що в буфері ВТВ можуть зберігатись кілька (до 256) адрес переходів.

У МП Pentium застосовується блок обчислень з плавучою крапкою, який використовує складні багатоступеневі конвеєри та внутрішні функції. Майже всі команди з плавучою крапкою починають виконуватись в конвеєрі U або V, а потім передаються на конвеєр з плавучою крапкою, тому цілочислові конвеєри не є незалежні — при зупинці одного з них для роботи з числами з плавучою крапкою другий теж зупиняється. Такі функції як множення, ділення, додавання реалізовані як внутрішні у просторі операцій з плавучою крапкою.

Всі ці нововведення призводять до перевищення швидкості виконання операцій з плавучою крапкою у 10 разів порівняно з МП I80486 DX 33 МГц. Завдяки 64-розрядній шині даних МП Pentium може обмінюватись даними з пам’яттю зі швидкістю 528 Мбайт/сек. МП Pentium реалізує конвеєризацію циклів шини, що дозволяє почати другий цикл ще до завершення першого. Для підвищення швидкості виконання послідовних операцій запису у пам’ять МП Pentium має по одному буферу запису на кожний конвеєр, завдяки чому мікропроцесор може продовжувати роботу, виконуючи наступні команди до запису результату попередньої у пам’ять.

Цілісність даних перевіряється за ознакою парності одиниць у внутрішніх буферах процесора.

У МП Pentium засоби енергозбереження застосовуються як на рівні мікропроцесора, так і на рівні системи. При виконанні задач, які не потребують інтенсивних обчислень, процесор може бути переведений у режим з пониженою тактовою частотою та пониженим енергоживленням.

Підтримка багатопроцесорності забезпечується наявністю внутрішнього контролера багатопроцесорних переривань АРІС, який підтримує до 60 процесорів у системі, та двохвходового контролера кеш-пам’яті другого рівня, який дозволяє двом процесорам сумісно використовувати один кеш другого рівня.

Моніторинг продуктивності заключається у спостереженні та підраховуванні тактів для внутрішніх процесорних подій, які впливають на продуктивність операцій обміну з пам’яттю, кеш-промахи та кеш-попадання, переривання, зайнятість шини. Все це дозволяє робити тонке налаштовування розроблюваних додатків та систем з метою оптимізації продуктивності.

Мікропроцесор Pentium підтримує розміри сторінки пам’яті 4 Кбайт та 4Мбайт. Це дає можливість регулювати частоту переключення сторінок у ядрі операційної системи або у графічних додатках.

МП Pentium MMX характеризується апаратною підтримкою багатьох операцій, характерних для процесорів цифрової обробки сигналів: одна інструкція виконує дії над кількома (2, 4, 8) комплектами операндів (принцип SIMD), операції над векторами, згортка, перетворення Фур’є тощо. Це стало можливим завдяки розширенню системи команд на 57 команди, орієнтованих на ефективне виконання типових мультимедійних алгоритмів. Процесор вирішує задачі синтезу звука та музики, розпізнавання мови, обробка відео- та графічної інформації, виконання комунікаційних функцій.

SIMD обробка потоків даних значно прискорює виконання мультимедійних алгоритмів, для яких є характерне виконання ідентичних операцій над великими масивами однотипних даних – 16-бітними відліками цифрового мовного сигналу, 8-бітні коди кольору пікселя.

Процесор підтримує операцію MAC — множення з накопиченням, у ньому вперше був застосований новий вид арифметики з насиченням: якщо результат операції не вміщується у розрядній сітці, то замість переповнення або загублення порядку встановлюється відповідно максимально або мінімально можливе значення числа.

Pentium MMX має дві окремі кеш-пам’яті – кеш команд та кеш даних, обсяг кожного з них 16 Кбайт.

Ефективність по швидкості виконання мультимедійних додатків у Pentium MMX на 60% вища ніж у процесора Pentium при однакових тактових частотах. Регістри MMX Pentium MMX суміщені з 64-розрядними регістрами з плавучою крапкою, що забезпечує сумісність з архітектурою Pentium і дозволяє використовувати раніше розроблене програмне забезпечення. Pentium MMX за 50 тактів може переключатися у режим обчислень з плавучою точкою і використовуватися як універсальний.

Процесор Pentium Pro має кеш другого рівня на 512 Кбайт, розміщений у тому ж корпусі, який працює на частоті ядра — 200 МГц. Архітектура процесора спрямована на збільшення паралельно виконуваних гілок програми, причому команди можуть виконуватись не в тому порядку, у якому вони розташовані у програмі, але послідовність запису результатів у пам’ять або виведення їх у порти зберігається відповідно до програми, це так зване динамічне виконання інструкцій. Передбачено спекулятивне виконання команд з випередженням, переупорядкування команд по конвеєрам з метою вирівнювання часу їх виконання, що також підвищує продуктивність процесора. Процесор має різні незалежні шини для з’єднання процесорного ядра з кеш-пам’яттю та основною пам’яттю. Перша шина працює на тактовій частоті процесора, а друга – з частотою системи. Слід відмітити, що 16-розрядні додатки виконуються на Pentium Pro не швидше ніж на Pentium з такою ж тактовою частотою. Це пояснюється частим перезавантаженням виконавчого багатоступінного конвеєра з короткими даними.

До МП шостого покоління відносяться також МП Pentium, Pentium ІІІ, Celeron та Xeon. Загальними рисами цих процесорів, є те, що ядро процесора вміщує кілька конвеєрів, до яких підмикаються виконавчі пристрої для операцій над цілими числами, звернень до пам’яті, завбачення переходів та обчислень з плавучою точкою. Кілька різних виконавчих пристроїв можуть об’єднуватися на одному конвеєрі.

Pentium ІІ є більш швидкий Pentium Pro з підтримкою ММХ, але не пристосований до роботи у багатопроцесорних системах. Pentium ІІІ – це подальший розвиток Pentium ІІ, його основною відміною від попередніх моделей є розширення SIMD-інструкцій, засноване на новому блоці 128-розрядних регістрів ХММ. Блок дозволяє одній інструкції виконувати операції одночасно над чотирма комплектами 32-розрядних операндів з плавучою точкою. При виконанні повних інструкцій обладнання для виконання традиційних операцій FPU/MMX не використовується, це дозволяє одночасно виконувати інструкції ММХ з інструкціями над операндами з плавучою крапкою, а також логічні інструкції.

Сімейство Xeon – Pentium II Xeon та Pentium III Xeon призначені для роботи у складі серверів, які можуть бути об’єднані у системи з FRC-режимом, у якому процесор працює як перевіряюий з надлишковим контролем функціональності у двохпроцесорній, а також у симетричні 1-, 2-, 4- та 8-проесорні системи. Процесори Pentium II Xeon мають частоту шини 100 МГц при частоті ядра 500 МГц, вторинний кеш 1 Мбайт, виконують стандартний набір інструкцій Pentium II та ММХ. Процесори Pentium III Xeon мають частоту шини 133 МГц при частоті ядра до 1000 МГц. Вторинний кеш сягає 2 Мбайти.

Мікропроцесор Pentium 4 має вбудовану підтримку 144 нових розширень Streaming SIMD, названих Streaming SIMD 2, що призначені для виконання задач по обробці зображень, фізичному моделюванню, 3D-геометрії і шифруванню. Подібні розширення, як і MMX, вихідні Streaming SIMD, 3DNow (AMD), дозволяють розроблювачам оптимізувати виконання специфічних задач. Для передачі даних у 0.18-мікронному P4 використовується технологія Hyper Pipeline, що є основою для реалізації швидкостей у 1.5ГГц. У її основу покладена здатність процесора "вгадувати" і попереджувати завантаження інструкцій, що на його думку, будуть потрібні визначеній програмі для виконання поточної задачі. Це більш ефективно, ніж чекання і лише наступне виконання запиту програми. В P4 є для цих цілей спеціальний кеш, іменований trace cache, де процесор зберігає декодовані мікрооперації в упорядкованому, для більш швидкого виконання, стані. Чим менше часу процесор простоює в чеканні команд, тим більше ефективна його робота.