Logica

Arquitectura NetBurst: Pentium 4

José Ignacio Gómez Pérez

1. Introducción
Tras varios años sin aportar nada nuevo al mundo de la micro-arquitectura, Intel da un gran paso hacia delante con la presentación de NetBurst. AMD estaba ganando la partida comercial, que tan bien había sabido jugar Intel hasta la fecha, con continuos aumentos en la frecuencia de sus procesadores. La barrera delGHz fue alcanzada en primer lugar por Athlon, si bien Intel no tardó en responder. Pero parece que tenían preparada una mano ganadora. De un plumazo, el Pentium 4 ha dejado atrás al resto de los procesadores CISC, y se ha puesto a la altura de los mejores RISC incluso en el proceso en punto flotante (al menos, así lo dicen los resultados obtenidos por los SPEC2000. Tan solo el Power4, conmultiprocessor-on-chip supera al nuevo procesador de Intel). Para conseguir tamaña mejoría, los ingenieros de Intel han tenido que trabajar duro, pues el legado que sus antecesores en el puesto les dejaron, no es precisamente positivo. Un repertorio de instrucciones CISC, con tan solo 8 registros direccionables por el programador, un mayor número de accesos a memoria que en un procesador RISC, y una costosatraducción de instrucciones IA-32 a micro-operaciones (que serán ejecutadas por el núcleo RISC del Pentium 4) son los frutos de la siembra que Intel comenzó hace décadas. Mantener la compatibilidad con las versiones anteriores, para no perder el privilegiado puesto que Intel consiguió en el mercado doméstico, supone afrontar todos esos problemas y partir en desventaja frente a otras alternativas.A pesar de ello, los diseñadores de Intel han recogido diversas propuestas del ámbito académico, como la Trace Cache (quizás el punto estrella de la nueva arquitectura) o el Multithreading, y han intentado mitigar algunos de los problemas inherentes a toda arquitectura IA-32. A lo largo del presente trabajo, presentaremos todas esas novedades así como el resto de componentes que conforman elnúcleo funcional del procesador. La descripción del funcionamiento de un procesador es una tarea casi inacabable. Como nuestro tiempo es limitado, nos remitiremos a detallar los elementos constitutivos de la micro-arquitectura del procesador. Aspectos como el soporte para la memoria virtual (el Pentium 4 presenta la posibilidad de usar paginación, segmentación o ambas al mismo tiempo), optimizacionesde código, o protocolos de bus, no serán tratados a lo largo del trabajo. Comencemos pues con una visión global del procesador, para continuar después con una análisis minucioso de cada uno de los componentes que éste alberga.

2. Visión Global
En la Figura 1 presentamos una visión global de la arquitectura del Pentium 4 [1]. Podemos dividirla, y así lo haremos con nuestra presentación, encuatro grandes bloques. Como ya hemos comentado, el elemento principal del Front-End de esta nueva arquitectura es, sin duda, la Trace Cache. Tanto ésta como el efectivo predictor de saltos y el decodificador de instrucciones IA-32, son los encargados de suministrar micro-operaciones al pipe. Durante la etapa de ejecución, se produce el renombramiento de registros, la ejecución fuera de orden de lasmicro-operaciones y su posterior finalización ordenada. Veremos con detalle cómo se realizan estas operaciones, y las estructuras encargadas de llevarlas a cabo. La ejecución de las micro-operaciones tiene lugar en diversas unidades funcionales que describiremos posteriormente.

Figura 1 Arquitectura Global del Pentium 4 Los datos para la ejecución de dichas operaciones se toman de la renovadajerarquía de memoria: una cache de primer nivel de tan solo 8 Kb y muy baja latencia, junto con la tradicional Cache unificada de segundo nivel, de 256 Kb que trabaja al doble de velocidad que sus antecesoras.

Figura 2 Etapas del Pipeline del Pentium 4
Como observamos en la Figura 2, los distintos bloques básicos de ejecución se distribuyen a lo largo de un pipeline realmente profundo: 20...