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英特尔Core微架构全面解析(2)


http://www.sina.com.cn 2006年04月27日 14:21 Ocer.net

  作为 Intel 的新旗舰,Core 微架构拥有双核心、64bit指令集、4发射的超标量体系结构和乱序执行机制等技术,使用65nm制造工艺生产,支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址,支持 Intel 所有的扩展指令集。Core 微架构的每个内核拥有 32KB 的一级指令缓存、32KB 的双端口一级数据缓存,然后2个内核共同拥有 4MB 的共享式二级缓存。Core 微架构在今年内发布的最高频率将是 Conroe XE 的3.33GHz。每种产品拥有自己的最高 TDP:Merom 最高35W,Conroe 最高65W,Woodcrest 最高80W。此外,针对不同客户的要求也可以提供低功耗的版本。例如,低电压版本的 Woodcrest 将会定位于刀片系统,通过降低频率等方法使 TDP 低达40W。

  下图是 Core 微架构的内核总体架构图。图中各个功能单元用不同的颜色来划分。左上角的紫色单元是取指单元,负责从指令缓存中取出指令并进行分支预测等工作;橙色的部分是解码单元,负责把取出的指令解码,并生成微指令;黄色的部分是微指令缓冲区和微指令调度单元;蓝色的部分是执行单元;绿色的单元是存储单元。

  作为比较,Yonah 微架构和 NetBurst 微架构的核心架构图也列在下面。

英特尔Core微架构全面解析(2)
图3 Core 微架构
英特尔Core微架构全面解析(2)
图4 Yonah 微架构
英特尔Core微架构全面解析(2)
图5 NetBurst 微架构

  让我们提示一下 Core 微架构中的每个核心在每个周期可以做的工作:在最好的情况下,每周期可以取指160bit以上(Intel 没有透露更具体的数字),解码5条X86指令,发射7条微指令,重排序和重命名4条微指令,发送6条微指令至执行单元,完成并退出4条微指令。从任何一个方面来看,这个架构都是比 NetBurst 微架构或者 Yonah 微架构更宽的架构,拥有更宽的流水线、更高的并行度。

  Intel 声称 Core 微架构拥有14级“有效”流水线。与 Banias 同出于一个设计团队,Core 微架构仅有14级的整数流水线,并不让人意外。但是,究竟什么是14级“有效”流水线?

  在过去的几年里,有关流水线级数的几个概念经常被混淆。我们首先澄清一下,流水线的“条数”与“级数”是完全不同的概念。能够完整执行各种指令的一系列功能单元组成“一条”流水线。而关于流水线级数,可以这样简单理解:在传统意义上,一条流水线所包含的功能单元一般可以被划分为多个部分,它可以被划分成几个部分,就称这条流水线是“几级”的。

  然后让我们来了解一下“有效流水线”的定义,这也是在过去容易造成误解之处。简而言之,所谓的有效流水线,就是指发生分支预测错误时,所需要重新执行的流水线级数。以采用 NetBurst 微架构的处理器来说,Willamette、Northwood与Prescott核心的有效流水线级数分别是20、20和31,而原始的P6 微架构的处理器则是10级。

  不过,对于现代的普遍采用乱序执行方式的X86处理器来说,有效流水线级数并不能代表真正意义上的流水线级数。NetBurst 微架构的处理器仅仅是 Trace Cache 的 Trace 建立过程,就有起码10级;P6 微架构的完整流水线级数应该是12至15(10级有效流水线加上指令执行完毕后的 Retire 动作,与可能出现的 Reorder Buffer延迟)。随着乱序执行引擎的工作方式越来越复杂,X86处理器流水线级数的概念也日益模糊。换言之,Core 微架构真正意义上的流水线级数并不会只有14。

  Core 微架构的14级有效流水线与 Prescott 核心的31级有效流水线的对比,也只有参考意义。那些仅仅根据这个数字的对比就断言 Core 微架构只能达到很低的频率的说法是不具有足够的说服力的。Conroe XE 3.33GHz 处理器的存在已经让很多相信这个说法的用户大吃一惊。而实际上,已经有玩家声称,Conroe 处理器可以在风冷的情况下达到4GHz以上的频率。Core 微架构的频率到底能够到达什么样的高度,让我们拭目以待。

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