معالج ال Pentium 4 ومميزاته–الجزء الأول

في نوفمبر عام 2000 أطلقت شركة Intel آخر معالج في الجيل السادس من معالجات إنتل وهو المعالج Pentium 4 لازال هذا المعالج هو العمود الفقري الذي تعتمد عليه أجهزة كمبيوتر سطح المكتب Desktop Computers تأسست تكنولوجيا صناعة رقاقة Pentium 4 على تكنولوجيا بناء الرقاقات الدقيقة التي يطلق عليها "Net Burst Micro Architecture" وتعتمد أيضاً هذه الرقاقة على التكنولوجيا ال 0.13 ميكرون التي تمكن من تقليص حجم كل عنصر الكتروني بالدائرة الالكترونية داخل المعالج إلى 0.13 ميكرون (0.13- Micron) يتفوق هذا المعالج عن المعالجات التي قبله في سرعة تنفيذ الأوامر وأسلوب معالجة الأوامر الذي يطلق عليها المصطلح "SSE2" وأيضاً الميزة العظيمة في عمليات ال Cache التي يطلق عليها "Execution Trace Cache" عموماً فيما يلي شرح تفاصيل ميزات تكنولوجيا معالج ال Pentium 4 الجديد.

1- الخريطة الأساسية لسير الأوامر Basic Instruction Flow:

بعد جلب الأوامر من ذاكرة ال Cache أو من الذاكرة الرئيسية، فإنه لابد من فك شفرة Decoding هذه الأوامر ثم يرسل فك الشفرة لوحدة التنفيذ ليتم تنفيذ هذه الأوامر. تحدث هذه العمليات في قسم من المعالج يسمى الطرف الأمامي للمعالج Processor's Front End يبين شكل (2-15) خريطة سير الأوامر، حيث تأخذ الأوامر لها مساراً من ذاكرة ال Cache إلى الطرف الأمامي Front End ثم تتجه نحو وحدة التنفيذ التي يطلق عليها ماكينة التنفيذ "Execution Engine" وبمجرد أن تترك ماكينة التنفيذ فإن نتائجها تتجه نحو الذاكرة الرئيسية لتكتب فيها هذه العملية.

هذه العملية التي فيها جلب Fetch الأمر من ال Cache ثم فك Decode شفرته إلى صورة تفهمها العناصر الداخلية للمعالج ثم تنفيذ الأمر وأخيراً كتابة النتائج في الذاكرة، تجعل مسألة معالجة الأمر تنقسم إلى أربعة مراحل متتابعة في مسار أنبوبي واحد يطلق عليها المصطلح "4-Stage Pipeline" أنظر شكل (2-16).

2- تكنولوجيا الـ "Net Burst"

استخدمت شركة إنتل طريقة جديدة لبناء المعالج Pentium 4 أطلقت عليها الاسم "Net Burst" وقد جاء هذا الاسم من أ، هذا المعالج يتميز بسرعة الأداء على شبكة الانترنت. ولكن بشكل عام فإن تكنولوجيا ال "Net Burst" تجعل معالج Pentium 4 يتمتع بالميزات الآتية:

· سرعة ناقل النظام أسرع Faster System Bus

· Cache نقل متقدمة Advanced Transfer Cache

· تنفيذ ديناميكي متقدم Advanced Dynamic Execution

· لوجود Cache تتبع التنفيذ Execution Trace Cacheد

· ووحدة تنبوء التفرع المحسنة Enhanced Branch Prediction

· ماكينة التنفيذ السريعة Repid Execution Engine

· الوحدة العائمة المحسنة ومتعددة الوسائط (SSE2)

3- الناقل الجديد للمعالج The New processor Bus:

ناقل شيء يراه كود الأمر أو البيانات من هذا المعالج هو ناقله الجديدة. كان يعمل ناقل الجانب FSB لمعالج السابق Pentium عند سرعة 133 MHz وكان يمكنه نقل 64-bit من البيانات كل دورة ساعة Clock بعرض نطاق بيانات قدرة:

Data Bandwidth=8 Byte × 133 Million/s = 1.066 MB/s

أي أن معدل نقل البيانات للمعالج Pentium III هو 1.066 ميجا بايت في الثانية الواحدة. إما ناقل النظام للمعالج Pentium 4 فهو يعمل عند سرعة 100 MHz فقط وبعرض 64-bit أيضاً ولكن يتم نسخ البيانات رباعياً "Quad-Pumped باستخدام نفس المنفذ AGP 4X وبالتالي يمكن لناقل المعالج Pentium نقل البيانات بمعدل:

8 byte x 100 Million/s x 4 = 3200 MB/s

أي أن معدل نقل البيانات للمعالج Pentium هو 3200 ميجا بايت في الثانية الواحدة، ومن هنا نرى أن الفرق رهيب بين المعالجين. حتى بمقارنة ناقل ال Pentium 4 بناقل المعالج EV6 الجديد الذي أنتجته شركة AMD فإن EV6 يتخلف عنه بفارق كبير جداً.

في المعالج "Athlon" الحديث، يضخ الناقل في هذا المعالج البيانات وأكواد الأوامر ضخاً مزدوجاً فقط Double-Pumped وحيث أن عرض هذا الناقل 64-bit وسرعته 133 MHz فإن معدل نقل البيانات لهذا الناقل تكون:

8 byte x 133 Million/s x2= 2133 MB/s

أي أن معدل نقل البيانات لناقل هذا المعالج هو 2133 ميجا بايت لكل ثانية:

يمكن لناقل bus معالج ال Pentium 4 تبادل البيانات مع باقي النظام بسرعة أكبر من سرعات معالجات x86 الأخرى وبالتالي التخلص من مشكلة عنق الزجاجة التي كانت يعاني منها معالج الـ Pentium II ومع ذلك فإن أسرع ناقل معالج لا يساعد كثيراً إلا إذا كانت الذاكرة الرئيسية يمكنها استلام البيانات بسرعة تتوافق مع سرعة هذا الناقل. يستخدم المعالج Pentium 4 الرقاقة Intel 850 الجديدة لتقوم بوظائف الـ Chipset. حيث تستخدم هذه الرقاقة قناتين Ram Bus التي تتعامل مع ذاكرة ال RDRAM الغالية الثمن والغير شائعة. مع ذلك فإن قناتي ال RDRAM، بسبب قدرتهما على استلام البيانات بنفس معدل نقل البيانات بالناقل الجديد للمعالج (3200 MB2/s) Pentium 4 يجعل كلا من الناقل الجديد وقناتي ال RDRAM في توافق تام. هذا يجعل من معالج ال Pentium 4 له أعلى معدل نقل بيانات عن المعالجات الأخرى.

4- Cache النقل المتقدمة Advanced Transfer Cache:

ثاني شيء تمر به البيانات بمعالج ال Pentium 4 هو المستوى الثاني من الـ Cache الاسم L2-Cache تطلق شركة إنتل على هذه الـ Cache الاسم Cache النقل المتقدمة "Advanced Transfer Cache" كان ذلك منذ معالج Pentium III الذي تأسس على تكنولوجيا الـ "Copper Mine" حجم الـL2-Cache هو 256 KB تماماً مثل ما في المعالج Pentium III تستخدم ال L2-Cache في معالج ال Pentium 4 خطوط Cache حجمها 128-byte وقد قسمت إلى قسمين كل منهما بحجم 46-Byte عندما تجلب هذه ال Cache بيانات من ذاكرة النظام الرئيسية أو من منفذ الـAGP أو من ناقل الـ PCl أو أي ناقل وحده طرفية أخر فإنها تقرأ على الأقل 64 byte في مشوار الذهاب واحد، مما يعطي أداء عظيم لعمليات نقل البيانات خصوصاً ما بين ال Cache وذاكرة ال RDRAM (الذاكرة الرئيسية) ولكن يكون أداء النقل سيئ إذا كان المطلوب نقل واحد بايت من ال 64 بايت. زمن الكمون Latency Time للقراءة للـL2-Cache في المعالج Pentium 4 هو 7 نبضات ساعة (7 Clocks) وتتصل الـ L2-Cache بقلب المعالج عن طريق ناقل بيانات 256-bit ويعمل بنفس سرعة قلب المعالج CPU-Core بعد القيام بالعمليات الحسابية تتدفق البيانات ما بين الـ L2-Cache وقلب المعالج بمعدل 44.8 جيجا بايت لكل ثانية (44.8 GB/s) وذلك لمعالج ال Pentium 4 ذو السرعة 1.4 GHz أو معدل 48 GHz بالنسبة لمعالج ال Pentium 4 ذو السرعة 1.5 GHz

برغم أن المعالج Pentium III كان مزوداً بذاكرة L1-Cache بحجم 16 KB للأوامر "Instructions" و 16 KB للبيانات "Data" إلا أن معالج الـ Pentium 4 مزود بذاكرة L1- Cache حجمها 8 KB للبيانات فقط، ولكن مع إضافة سمه جديدة بديلة على L1-Cache الأوامر (التي كانت موجودة في Pentium III)، تسمى هذه السمة Cache متابعة التنفيذ "Execution Trace Cache"

من المحتمل أن تكون إنتل كانت مجبرة أ، تخفض من حجم ال L1-Cache الخاصة بالبيانات إلى 8 KB فقط وهذا يمثل نصف حجم ال L1-Cache (بيانات) في المعالج Pentium III و 1/8 للحجم "Athlon" مما مكن من تخفيض زمن الكمون Latency time إلى نبضتين ساعة (2 Clocks) فقط.

لذاكرة ال L1-Cache بمعالج ال Pentium 4 أربعة مسارات مشتركة 4-Way set Associative تستخدم خطوط Cache بحجم 64-byte لكل دورة ساعة أحدهما تحميل Load والأخرى تخزين Store.

5- الجلب المادي المسبق Hardware Prefetch:

أضافت إنتل سمة أخرى عظيمة ف مجال ال L1/L2 Cache ففي عام 1999 كانت إنتل قدمت سمة ال SIMD Extensions حيث كانت هذه السمة ممتثلة بعملية الجلب المسبق Prefetch للأوامر بمعالج ال Pentium III وتمكن هذه العملية ال Software من تحميل البيانات في ال Cache قبل أن يطلبها قلب المعالج. هذه الأوامر لازالت موجودة ضمن مجموعة أوامر معالج ال Pentium 4 ولكن معها سمة الجلب المسبق Hardware Prefetch وكثير منها ينفذ آلياً في معالج ال Pentium 4 يمكن لهذه الوحدة الجديدة أن تتعرف على صور البيانات ومنها تخمن أي من هذه البيانات سيكون مطلوباً في الجلب المسبق Prefetch التالي تساهم عملية الجلب المادي المسبق Hardware في المعالج Pentium 4 في تعجيل تنفيذ ال Software خصوصاً الذي يستخدم كم كبير من البيانات المتراصة.