Микропроцессоры Hewlett-Packard РА-8000

Микропроцессоры РА-8000. Hewlett-Packard была одной из первых компаний, вышедших на рынок RISC-процессоров. Ее 32-разрядный микропроцессор PA-RISC с архитектурой Precision

Architecture был выпущен в 1986 г. Последовательно развивая принципы RISC архитектуры, HP выпустила один из самых высокопроизводительных для своего времени микропроцессор РА-8000, в котором в полной мере воплощены основные принципы динамического исполнения команд («интеллектуального выполнения» - в терминах Hewlett-Packard) [8].

Производительность микропроцессора с тактовой частотой 180 МГц составила 11,8 SPECint 95 20,2 SPECfp 95. Процессор изготовляется по технологии КМОП 0,5 мкм. Последующие модификации предусматривают использование технологии с КМОП 0,35 мкм для РА-8200 и 0,25 мкм для РА-8500.

Структура микропроцессора РА-8000 показана на рис. 1.11.

РА-8000 имеет 64-разрядную четырехконвейерную архитектуру с оригинальной схемой изменения последовательности выполняемых команд. Процессор содержит 10 функциональных устройств: два целочисленных АЛУ, два целочисленных устройства сдвига/объединения, два устройства умножения/накопления с плавающей точкой (MAC), два устройства деления/извлечения корня и два устройства загрузки/сохранения. Устройства умножения/накопления требуют трех тактов и полностью конвейеризируются для обработки данных с одинарной точностью. Их производительность составляет до 4 FLOPS за такт. Блоки деления требуют 17 тактов и не конвейеризируются.

В PA-8000 используется буфер переупорядочивания команд (IRB), просматривающий следующие 56 команд в потоке инструкций и определяющий, какие из них можно выполнять параллельно. Фактически IRB состоит из двух блоков на 28 команд каждый. Блок АЛУ содержит команды для устройства целочисленной арифметики, а другой блок используется для команд устройства операций с плавающей точкой и команд загрузки/сохранения.

Команда, помещенная в IRB, ожидает готовности данных, являющихся результатом предыдущих команд, и выбирается на выполнение (в порядке очередности), как только все требуемые данные получены и необходимое исполнительное устройство освободилось. Каждый из блоков IRB позволяет планировать две команды за такт (итого до четырех команд за такт). Для устранения связей между параллельно выполняемыми командами в процессоре используется переименование регистров.

В микропроцессоре используется алгоритм предсказания переходов, основанный на мажоритарном принципе оценки предыстории для каждой точки ветвления. Для предсказания используется таблица истории ветвлений ВНТ (Branch History Table), содержащая до 256 3-битовых записей, по одной для каждой точки ветвления. Вероятность правильного предсказания составляет 0,8.

Hewlett-Packard спроектировала PA-8000 специально для научных и инженерных расчетов, размер интенсивно используемых данных в которых может быть велик. В этой связи возникает необходимость использования больших кэш-памятей команд и данных. РА-8000 использует внешние основные кэш-памяти данных и команд объемом до 4 Мбайт, а также буфер переупорядочивания адресов (ARB), отслеживающий все команды загрузки/сохранения, что позволяет сократить задержку, связанную с адресацией внешней кэш-памяти. Более медленный доступ к данным во внешнем кэше для РА-8000 компенсируется его большим объемом (что, однако, приводит к удорожанию системы) и эффективным управлением обменом с кэш- памятью (использование высокоскоростных линий управления кэшем, предвыборки команд и данных из основной памяти в кэш).

Устранить недостаток, связанный с удорожанием системы при использовании внешнего основного кэша, Hewlett-Packard удалось в новом микропроцессоре РА-8500, производимом по технологии 0,25 мкм. Высокая плотность упаковки позволила разместить на кристалле кэш-память первого уровня размером 1 Мбайт для данных и 0,5 Мбайт для команд.