Характеристики процессора Crusoe д TM3200 корпорации Transmeta

Процессор построен по архитектуре VLIW, особенностями которой является низкое энергопотребление, высокая скорость. При использовании программного обеспечения x86 Code Morphingд корпорации Transmeta процессор способен работать с программным обеспечением для систем на базе процессоров x86, используя при этом динамическую трансляцию кода, т.е. не требует перекомпиляции. (О Code Morphing и о VLIW архитектуре подробнее ниже).

Архитектура

Процессор содержит модули для работы с целыми числами и числами с плавающей точкой, кэш данных и команд, модуль управления памятью и мультимедиа инструкции. В процессор интегрирован контроллер памяти SDR SDRAM, контроллер шины PCI и контроллер последовательного интерфейса ПЗУ. Эти модули являются частью системной логики.

Блок-схема Crusoe - Model TM3200

Ядро

Ядро основано на архитектуре Very Long Instruction Word (VLIW) 128-битовой системы команд. Благодаря этой архитектуре логика процессора довольно проста. Это позволяет упростить реализацию 7-уровнего целочисленного конвейера и 10-уровнего конвейера с плавающей точкой. Благодаря гибкости аппаратных средств процессора и уменьшению количества управляющей транзисторной логики, сочетание производительность - потребляемая мощность может существенно улучшаться в сравнении традиционной архитектурой x86. Процессор содержит 8-канальный ассоциативный кэш команд 1 уровня (L1) объемом 64K, и 8-канальный ассоциативный L1 кэш данных объемом 32K.

Иерархия программного обеспечения

Программное обеспечение Code Morphing декодирует и выполняет инструкции x86. Если требуется выполнить повторяющиеся инструкции , Code Morphing транслирует их в оптимизированный код архитектуры VLIW и кэширует, что позволяет использовать часто повторяющийся код без повторной трансляции.

Контроллер памяти SDR SDRAM

Контроллер поддерживает до четырех банков памяти SO-DIMMS (Small Outline Dual In-line Memory Modules) SDR SDRAM (SDR- Single Data Rate). Все модули памяти работают с частотой SDRAM, однако можно использовать различные конфигурации блоков SO-DIMM. Память может работать на половинной либо на 1/15 частоты ядра. Рекомендуемые частоты находятся в диапазоне от 66 до 133 MHz.

Интегрированный контроллер шины PCI

Контроллер шины PCI процессора Crusoe совместим с спецификацией PCI 2.1. Шина 32-разрядная, работает на частоте 33 MHz c сигналами уровня 3.3 V.

Последовательный интерфейс ПЗУ

Интерфейс используется для чтения данных из ПЗУ. Энергонезависимое ПЗУ объемом 1 Mb используется для хранения кода Code Morphing. Во время загрузки, код Code Morphing копируется из ПЗУ в SDRAM. Для размещения кода Code Morphing требуется от 8 до 16 Mb памяти. Пространство памяти, занятое под Code Morphing недоступно для программ x86. Интерфейс может быть использован для перепрограммирования ПЗУ.

VLIW архитектура и Code Morphing

(VLIW - Very Long Instruction Word). Согласно этой схеме компилятор изначально группирует процессорные команды в пакеты, каждый из которых может быть выполнен за один такт. Аппаратное 128-разрядное ядро, помимо кэша, содержит только одно устройство обработки чисел с плавающей точкой (FPU), два - целочисленных АЛУ (арифметико-логическое устройство), блок управления памятью (Load-Store Unit), блок предсказания ветвлений, обслуживающий выполнение команд условного перехода (Branch Unit), 64 целочисленных регистра, именуемых r0 - r63, и 32 регистра для чисел с плавающей точкой. VLIW-инструкция длиной 128 или 64 разряда, называемая "молекулой", может состоять из двух или четырех "атомов" по 32 разряда - элементарных команд. Максимальное количество "атомов" диктуется количеством независимых устройств процессора:

FPU, ALU, Load-Store Unit, Branch Unit. Естественно, все "атомы" в "молекуле" должны быть адресованы различным устройствам. Следовательно, даже полностью укомплектованная "молекула" исполняется за один такт. CodeMorphing software загружается сразу после включения питания, предваряя инициализацию BIOS и операционной системы. Для повышения быстродействия ПО эмуляции сразу копируется из ППЗУ в ОЗУ. CodeMorphing на лету преобразует поступающие извне инструкции CISC во внутренние VLIW-"молекулы". ПО CodeMorphing, помимо собственно интерпретации кода, занимается еще и его постепенной оптимизацией. При первом проходе оптимизации фактически не происходит, CodeMorphing просто старается наиболее качественным образом упаковать "молекулы", мало отличаясь при этом от стандартных микропрограммных решений, зашитых в тот же Pentium III. Но с каждой следующей итерацией и накоплением "опыта" система пытается улучшить код. При этом используются широкие возможности программной интерпретации, большое количество внутренних регистров и гибкий механизм их переименования. ПО запоминает единожды оттранслированные команды и последовательности команд, а затем, встретив аналогичную конструкцию снова, просто использует заготовленный оптимизированный шаблон. Таким образом, наиболее часто выполняющиеся участки программы подвергнутся наиболее тщательной обработке, а малоиспользуемый код останется вне поля зрения эмулятора. Тут следует заметить, что, прежде всего Crusoe ориентирован на использование в мобильных компьютерах.

Технология LongRun

Как известно, в последнее время производители быстрых процессоров обращаются к методике изменения тактовой частоты. Когда устройство работает от стационарной сети электроснабжения, такой процессор функционирует на самой высокой своей частоте, но при переходе к питанию от батарей он понижает свою частоту. LongRun предписывает процессору не только динамически изменять частоту в зависимости от потребностей выполняемого приложения , но и одновременно регулировать напряжение питания (меньше частота - меньше напряжение). Таким образом, потребление энергии относительно частоты изменяется в кубе. Crusoe, снижая частоту на 10%, добивается 30%-ной экономии электроэнергии. Диапазон рабочих частот лежит между 700 и 200 MHz, а напряжение варьируется в пределах от 1,65 В до 1,1 В.

Именно благодаря низкому энергопотреблению и совместимостью с архитектурой х86 процессоры Crusoe заняли свою нишу на рынке мобильных Internet-устройств и ноутбуков.

Составители: Гречин А.Н (

phoenix@uniyar.ac.ru ), Мосеев А.Л ( alexm@uniyar.ac.ru ).