b. Tương lai của công nghệ SO
2.6.4Giải mã chỉ lệnh và thay đổi tên cho thanh gh
Vì kiến trúc P6 sử dụng cho các bộ vi xử lý Pentium Pro kiến trúc CISC/RISC lai nên bộ vi xử lý phải chấp nhận các chỉ lệnh CISC và cũng được biết đến với tư cách là các chỉ lệnh x86, điều này là do tất cả các phần mềm cung cấp ngày nay đều được viết bằng kiểu chỉ lệnh này. CPU chỉ sử dụng RISC không phải là tạo ra cho máy tính, vì nó không chạy phần mềm hiện nay như Windows và Office.
Vì vậy, giải pháp được sử dụng bởi tất cả các bộ vi xử lý hiện đang cung cấp trên thị trường ngay nay từ cả Intel và AMD là đều sử dụng giải mã CISC/RISC. Bên trong, CPU xử lý các chỉ lệnh RISC nhưng front-end của nó lại chỉ chấp nhận các chỉ lệnh CISC x86. Các chỉ lệnh CISC x86 được đề cập đến như chỉ lệnh thông
thường còn các chỉ lệnh RISC bên trong được đề cập đến như các chỉ lệnh đã được giải mã. Mặc dù vậy, các chỉ lệnh đã được giải mã RISC không thể được truy cập một cách trực tiếp, do đó chúng ta không thể tạo phần mềm dựa trên các chỉ lệnh này để vòng tránh qua bộ giải mã. Cũng vậy, mỗi CPU sử dụng các chỉ lệnh RISC của riêng nó, các chỉ lệnh này không được công bố và không tương thích với chỉ lệnh đã giải mã từ các CPU khác. Điều đó có nghĩa là các chỉ lệnh đã giải mã của Pentium M khác hoàn toàn với chỉ lệnh đã giải mã của Pentium 4, sự khác biệt này chính là từ các chỉ lệnh giải mã Athlon 64. Phụ thuộc vào độ phức tạp của chỉ lệnh x86 mà nó phải được chuyển thành các chỉ lệnh giải mã RISC.
Bộ giải mã chỉ lệnh Pentium M làm việc giống như trên hình 2.6.3. Như những gì ta có thể quan sát thấy, có ba bộ giải mã và một bộ xếp dãy chỉ lệnh đã giải mã (MIS). Hai bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh đơn giản, trong đó các chỉ lệnh đơn giản là chỉ lệnh thường chỉ là một chỉ lệnh giải mã. Kiểu chỉ lệnh này được chuyển đổi như một chỉ lệnh giải mã. Một bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh x86 phức tạp, chỉ lệnh này có thể được chuyển đổi thành 4 chỉ lệnh đã giải mã. Nếu chỉ lệnh x86 quá phức tạp, có nghĩa là nó chuyển đổi tới hơn bốn chỉ lệnh giải mã thì nó sẽ được gửi đến MIS là bộ nhớ ROM, gồm có một danh sách các chỉ lệnh có thể được dùng để thay thế cho x86 trên.
Hình 2.6.3: Bộ giải mã và đổi tên thanh ghi
Bộ giải mã chỉ lệnh có thể chuyển đổi lên đến 3 chỉ lệnh x86 trên mỗi một chu kỳ clock, một bộ giải mã phức tạp Decoder 0 và hai bộ giải mã đơn giản 1 và 2, điều này làm cho chúng ta có cảm giác hàng đợi chỉ lệnh đã được giải mã (Decoded Instruction Queue) có thể lên đến 6 chỉ lệnh giải mã trên mỗi chu kỳ clock, kịch bản có thể khi Decoder 0 gửi 4 chỉ lệnh đã giải mã và hai bộ giải mã kia gửi mỗi bộ một chỉ lệnh đã được giải mã – hoặc khi MIS được sử dụng. Các chỉ lệnh x86 phức tạp sử dụng (MIS) Micro Instruction Sequencer có thể dữ chậm một số chu kỳ clock khi giải mã, điều đó phụ thuộc vào số lượng chỉ lệnh được giải mã sẽ tạo ra từ sự chuyển đổi. Ta cần nên lưu ý rằng Decoded Instruction Queue chỉ có thể giữ được đến 6 chỉ lệnh đã giải mã, chính vì vậy nếu có hơn 6 chỉ lệnh giải mã
được sinh ra bởi bộ giải mã cộng với MIS thì một chu kỳ khác sẽ được sử dụng để gửi các chỉ lệnh hiện hành trong hàng đợi tới Register Allocation Table (RAT), làm trống hàng đợi và chấp nhận các chỉ lệnh đã giải mã mà không phù hợp với nó trước đó. Pentium M sử dụng một khái niệm mới đối với kiến trúc P6, khái niệm này được gọi là hợp nhất chỉ lệnh giải mã. Trên Pentium M, mỗi một bộ giải mã nối hai chỉ lệnh đã giải mã thành một. Chúng sẽ chỉ được tách ra khi được thực thi, tại tầng thực thi. Trên kiến trúc P6, mỗi chỉ lệnh có chiều dài 118 bit. Pentium M thay vì làm việc với các chỉ lệnh 118bit, nó làm việc với các chỉ lệnh có chiều dài 236bit mà chính là kích thước nối của hai chỉ lệnh 118bit. Cần phải lưu ý rằng các chỉ lệnh đã giải mã liên tục có chiều dài là 118bit, còn những gì được thay đổi là chúng được truyền tải thành một nhóm gồm hai chỉ lệnh cơ bản này.
Ý tưởng đằng sau phương pháp này là để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất. Việc gửi một chỉ lệnh có kích thước 236bit dài sẽ nhanh hơn việc gửi hai chỉ lệnh 118bit. Thêm vào đó, CPU sẽ tiêu tốn ít nguồn điện hơn vì sẽ có ít chỉ lệnh đã giải mã lưu thông bên trong nó. Các chỉ lệnh được gắn sau đó sẽ gửi đến bảng Register Allocation Table (RAT). Kiến trúc CISC x86 chỉ có 8 thanh ghi 32bit đó là EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI và ESP. Số lượng này là quá thấp vì các CPU hiện đại có thể thực thi mã out-oforder, và nó sẽ “phá hỏng” nội dung bên trong thanh ghi đã có, từ đó gây ra
hỏng các chương trình.
Chính vì vậy, tại tầng này, bộ vi xử lý thay đổi tên và nội dung của các thanh ghi đã được sử dụng bởi chương trình thành một trong 40 thanh ghi bên trong đã có (mỗi một thanh ghi này có 80 bit rộng, như vậy việc chấp nhận cả dữ liệu nguyên và dữ liệu thay đổi), cho phép chỉ lệnh có thể chạy tại cùng một thời điểm với chỉ lệnh khác mà sử dụng cũng cùng một thanh ghi chuẩn, hoặc thậm chí out-of-order, có nghĩa là cho phép chỉ lệnh thứ hai có thể chạy trước chỉ lệnh thứ nhất dù là chúng cùng chung trên một thanh ghi.
Hình 2.6.4: bộ đệm Reorder
Khi các chỉ lệnh x86 và chỉ lệnh đã được giải mã có kết quả truyền tải giữ các tầng CPU theo cùng một thứ tự thì chúng sẽ xuất hiện trên chương trình đang chạy. Khi vào ROB,các chỉ lệnh đã giải mã có thể được nạp và thực thi out-of-order bởi các khối thực thi. Sau khi thực thi, các chỉ lệnh được gửi trở lại về Reorder
Buffer. Sau đó tại tầng cuối cùng (Retirement), các chỉ lệnh đã thực thi được xuất ra khỏi bộ đệm Reorder Buffer với cùng thứ tự mà chúng đã nạp vào, có nghĩa là chúng được chuyển theo thứ tự. Trên hình 2.6.4, ta có thể có được ý tưởng vè cách chúng làm việc như thế nào. Trên hình 2.6.4, chúng ta đã đơn giản hóa trạm dành riêng (Reservation Station) và các khối thực thi để có thể tạo sự dễ hiểu cho bộ đệm này.