Arquitetura AMD Athlon 64 Gustavo Romano 1 1 Instituto de Informática Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Caixa Postal 15.064 91.501-970 Porto Alegre RS Brazil gromano@inf.ufrgs.br Abstract. Resumo. Este artigo apresenta apresenta as principais caracteristicas da arquitetura do AMD Athlon 64, tais como principais inovações e recursos arquitetônicos da plataforma e forma de funcionamento interno. 1. Introdução OprocessadorAMDAthlon64baseia-senotecnologiaAMD64(também conhecida como x86-64), uma tecnologia que permite a execução de aplicativos de 32 bits sem necessidade de qualquer tipo de emulação e sem perda de desempenho, além de oferecer suporte a uma nova geração de aplicativos de 64 bits [AMD 2006, Wikipédia 2006b, Couto 2005]. Oprojeto daplataforma AMD64incluiu odesenvolvimento deuma nova tecnologia de conexão ponto-a-ponto, com alta largura de banda e baixas latências, o Hyper- Transport. Nos processadores AMD64 o HyperTransport e a controladora de memória integrada ao processador substituem o FSB (Front Side Bus), eliminando gargalos, melhorando o desempenho e permitindo alta escalabilidade em servidores [Couto 2005]. 2. Evolução da arquitetura AMD64 Em relação àgeração anterior (K7), a plataforma AMD64 inclui ainda [Couto 2005]: Uma nova tecnologia de fabricação: o SOI (silicon-on-insulator, silício sobre isolante ) que reduz o consumo elétrico e diminui o calor gerado. Com a transição para o processo de 90nm, a partir da revisão E a AMD adicionou ao SOI uma nova tecnologia de Strained Silicon (silício expandido) chamada Dual Stress Liner desenvolvida em parceria com a IBM, que mantem o baixo consumo elétrico e baixa emissão de calor, ao mesmo tempo em que permite aumentar a freqüência de clock. Proteção de ECC (Error Correcting Code - código de correção de erros) para a controladora de memória integrada, para os dados do cache L1 e dados e tags do cache L2; Aprimoramento na previsão dedesvios para maior precisãoao anteciparchamadas de instrução; Estruturas TLB (Translation Look-aside Buffers) avançadas paramelhorgerenciamento da memória em cargas de trabalho complexas; Dois estágios de pipeline adicionais para escalabilidade da freqüência;
Adição de instruções SSE2 1 (e SSE3 2 apartirdarevisão E); IPC (Instruções por Clock) mais alto, atingido por meio de importantes recursos adicionais, como TLBs maiores, filtros de descarga e algoritmos aprimorados de previsão de desvio. 3. Modos de operação Os processadores com arquitetura AMD64 podem trabalhar nos seguintes modos [Wikipédia 2006b, Couto 2005]: Legacy Mode - Sistema Operacional e aplicativos de 32 bits. Nesse modo não existe nenhum benefício dos 64bits. O processador trabalha como se fosse de apenas 32bits. Há totalcompatibilidadecomsistemasoperacionaisde32bitsou 16bits para PC: Windows, Linux, etc. (Até DOSpodeserutilizado). Long Mode Compatibility - Sistema Operacional de 64 bits e aplicativos de 32 bits. Estemodoocorre quandoemumsistema operacionalamd64(windows XP x-64, várias distribuições Linux, etc), são utilizados aplicativos de 32 bits ou de 16 bits. Nessa situação os GPRs não são estendidos para 64 bits, e os registradores extras também não estão disponíveis. O desempenho teoricamente é o mesmo de quando se usa um sistema operacional de 32 bits. O Modo de Compatibilidade oferece como beneficio em relação ao modo legado amaiorcapacidadedememória. Nos Sistemas operacionais de 32 bits, dos 4 GB de memória disponíveis, os aplicativos podem utilizar apenas 2 GB de memória física, os outros 2 GB são reservados ao sistema operacional. Em um sistema operacional AMD64 os aplicativos de 32 bits poderão usar totalmente os 4 GB disponíveis. Long Mode 64-Bit - Sistema Operacional e aplicativos de 64 bits. O Modo de 64 bits entra em ação quando em um sistema operacional AMD64, são utilizados aplicativos de 64 bits; então todo o poder dos 64 bits está disponível. No modo de 64 bits, os oito GPRs originais do modo de 32 bits são estendidos para 64 bits, e há mais oito GPRs de 64bits e mais oito registradores SDIM disponíveis. A Unidade de Ponto Flutuante ou FPU (Floating Point Unit) não é alterada no modo de 64 bits do processador. Na tabela 1 podem ser vistas as caracteristicas dos diferentes modos de operação do AMD64 [Couto 2005]. 4. Recursos da arquitetura Nesta parte do artigo serão citados e comentados os principais recursos da arquitetura do Athlon 64. 1 Streaming SIMD Extensions 2 - conjunto de 144 novas instruções cujo objetivo émanipularvários dados pequenos de uma sóvez.sse2trabalhacomnúmeros de ponto flutuante de até64bits[torres2006, Wikipédia 2006c]. 2 Streaming SIMD Extensions 3 - conjunto de 13 instruções cujo objetivo é aumentar o desempenho do micro. Entre estas instruções estão instruções de conversão de números de ponto flutuante para inteiros, sincronização de threads e uma especificamente para a codificação de vídeo [Torres 2006, Wikipédia 2006d].
Table 1. Modos de Operação dos processadores AMD64 4.1. Controladora de memória integrada No Athlon 64 a controladora de memória está integradaaoprocessador,não mais no chipset da placa-mãe não existindo mais o FSB (Front Side Bus). As memórias se conectam diretamente à controladora de memória integrada do processador, através do barramento de memória. Não há mais um longo e congestionado caminho a percorrer (FSB) após a controladora de memória como pode ser visto na figura 1. Figure 1. Funcionamento com e sem barramento de memória integrado A controladora de memória integrada dos processadores AMD64 se comunica com o núcleo do processador na mesma freqüência do processador. Dessa forma, o processador tem acesso às memórias de forma mais rápida, mais eficiente, e com baixas latências. Esse éumdosfatoresquecontribuiparaoexcelentedesempenhodesses processadores, seja em 32bits ou em 64bits. Na figura 2 pode-se veronúcleo do Athlon 64 e acontroladoradememória integrada [Couto 2005]. 4.2. HyperTransport AtecnologiaHyperTransportéumaconexão ponto-a-ponto de alta velocidade e baixa latência, projetada para aumentar a velocidade da comunicação entre os circuitos integrados em computadores, servidores e sistemas embutidos, e equipamentos de redes e telecomunicações [AMD 2006]. Esta tecnologia ajuda a reduzir a quantidade de barramentos em um sistema, o que pode diminuir os gargalos e possibilitar que os microprocessadores mais rápidos da
Figure 2. Núcleo do Athlon 64: Controladora de memória integrada atualidade utilizem a memória de forma mais eficiente em sistemas mais sofisticados com vários processadores [AMD 2006]. No HyperTransport os dados são transmitidos em pacotes, de forma similar a um protocolo de rede, usando tecnologia DDR (Double Data Rate) transmitindo dois bits de dados por cada ciclo de clock. O uso debaixa voltagem na tecnologia HyperTransport:1,2V LVDS (Low Voltage Differential Signaling) contribui para o baixo consumo do sistema. O LVDS também produz menos interferência, e é altamente imune a interferências, que possibilita atingir altas freqüências que não são possíveis em outros barramentos paralelos. Além do alto desempenho, a tecnologia HyperTransport possui baixo custo de implementação devido a fatores como: Uso de poucas trilhas na placa de circuito impresso (ou PCB - Printed Circuit Board), as novas especificações do HyperTransport mantêm a compatibilidade com as anteriores,e é roality-free entre os associados do Consórcio HyperTransport. AescalabilidadedatecnologiaHyperTransportpermitequeela seja utilizada desde pequenos equipamentos, até supercomputadores. Na especificação atual, o HyperTransport pode fornecer até 22,4 GigaBytes/s em conexões de 2800MHz e 32bits. 4.3. Cool n Quiet A tecnologia AMD Cool n Quiet permite economizar energia, reduzir a temperatura do processador, e pode tornar o PC mais silencioso quando o processador não estiver sendo totalmente utilizado, oferecendo performance sob demanda. Com o Cool n Quiet ativado, sempre que os softwares estiverem requerendo pouco poder de processamento, a freqüência e a voltagem do processador são automaticamente reduzidos, economizando energia, diminuindo a temperatura, permitindo uma operaçãomais silenciosa. No momento emqueosoftwarerequisitar alto poder de processamento instantaneamente a freqüência e a voltagem do processador retornam aos valores
padrão, oferecendo o máximo desempenho. O que torna a tecnologia Cool n Quiet altamente eficiente, é que a mudança de um estágio para outro é instantânea. As mudanças entre os estágios podem ser feitas até 30 vezes por segundo, proporcionando um gerenciamento de performance sob demanda, altamente eficiente, sem nenhum prejuízo ao processador ou ao desempenho. 4.4. EVP - Enhaced Virus Protection Enhaced Virus Protection (EVP) ou Proteção Avançada Contra Vírus melhora segurança do sistema, impedindo a ação de certos tipos de vírus e worms, que fazem ataques através buffer overflow, e evita que eles se repliquem e contaminem outros sistemas. Um buffer overflow ou transbordamento de buffer, ocorre quando dados são armazenadosemáreasdamemória (buffers), que nãopossuemcapacidadesuficientepara armazená-los. Então os dados excedentes do buffer saturado vão para áreas adjacentes na memória, onde podem ser utilizados para executar códigos maliciosos, que podem burlar asegurança,obtercontroledosistema,econtaminaroutros PCs. Muitos vírus e worms usam essa técnica para executar códigos, como por exemplo, o MSBlaster e o Slammer. A tecnologia Enhaced Virus Protection dos processadores AMD64, em conjunto com o sistema operacional intercepta essetipo deataque,eimpede que esses códigos sejam executados. OsuporteàtecnologiaEVPtambém está disponível no Service Pack 1 do Windows Server 2003; e nativamente no Windows Media Center 2005, Windows XP Professional x64 Edition, e Windows Vista, além de várias distribuições Linux. 4.5. Outros recursos arquitetônicos do processador Seus Registradores de Uso Geral ou GPR (General Purpose Registers) tem capacidade de armazenar números de até 64bits(2elevadoa64 a potência), número 4,3 bilhões de vezes maior que os registradores de 32 bits podem suportar (2 elevado à32 a potência), além disso possui oitos novos Registradores de Uso Geral de 64 bits (totalizando 16), emaisoitosregistradoressdim(singleinstructionmultiple Data) que são utilizados pelas instruções SSE (Streaming SIMD Extensions), SSE2, SSE3 [Wikipédia 2006b, AMD 2006]. A figura 3 ilustra estes registradores. Além disso, permite endereçar até 1Terabytedememória física (2 40 )e256terabytes de memória virtual (2 48 ) [Wikipédia 2006b, Rodrigues 2006]. 5. Detalhes arquitetônicos No seu núcleo o Athlon 64 éumprocessadorsuperescalarde9vias(ouseja,permite teoricamente a execução de 9 instruções simultaneamente) de execução fora-de-ordem (out-of-order) [Ferreira and Ribeiro 2003]. Estas 9 unidades de execução estão agrupadas em 3 unidades de inteiros (Unidades Lógicas e Aritméticas, também conhecidas como ALU s), 3 Unidades de Geração de Endereços (AGU s: Adress-Generation Units) e 3 Unidades de Cálculo de Ponto- Flutuante (FPU s: Floating Point Units) [Ferreira and Ribeiro 2003].
Figure 3. Registradores do Athlon 64 OAthlon64convertecadainstrução x86 em uma ou mais operações RISC internas [ROP s]. Após as primeiras etapas do pipeline, o Athlon 64 é no fundo um processador RISC, e não tem qualquer noção do que são instruções x86 ou do estado da máquina. OAthlon64écapazdedescodificaraté3instruções x86 e enviar 9 ROP s (RISC operations) por ciclo de relógio, no melhor cenário (na eventualidade de cada uma das ROP s ser enviada para cada uma das 9 unidades de execução). A maioria das ROP s executa diretamente no hardware, mas mesmo após conversão, algumas operações x86 são demasiadas complexas para tal. Estas últimas são detectadas e emuladas por rotinas na micro-rom do processador [Ferreira and Ribeiro 2003, Stokes 2005]. OpipelinedoAtlhon64tem12etapasepodeservistonatabela2. Pode-se observar que a arquitetura K8 possui 2 níveis de pipeline a mais que seu antecessor, estes foram adicionados para que se possa atingir clock mais altos. Ciclo de Relógio Arquitetura K7 Arquitetura K8 1 Fetch Fetch 1 2 Scan Fetch 2 3 Align 1 Pick 4 Align 2 Decode 1 5 EDEC Decode 2 6 IDEQ/Rename Pack 7 Schedule Pack/Decode 8 AGU/ALU Dispatch 9 L1 Address Generation Schedule 10 Data Cache AGU/ALU 11 Data Cache 1 12 Data Cache 2 Table 2. Comparação dos pipelines de inteiros de processadores AMD
Podemos descrever os passos do pipeline como [Stokes 2005]: Fetch 1 e Fetch 2:Nestesdoisestagios16bytes(equivalenteaaproximadamente cinco instruções x86) são trazidos de uma vez da Cache L1 de intruções e colocado em um buffer no seu front end. AfasedeFetchfoiquebradaemduasfasesemrelação ao Atlhon. Isso foi feito para ajudar a equilibrar a velocidade do clock com a latência de acesso àcache L1. Pick: Estes16bytessão transferidos para um buffer de 32 bytes, unindo-se os novos 16 bytes com 16 bytes já previamentebuscados. Oprocessadorentão procura neste grupo de 32 bytes de instruções os limites entre cada instrução e posteriormente alinha-as. Finalmente as intruções são classificadas em 1 ou 2 tipos -aquelasquepodemserdecodificadasdiretamentepelodecodificador, e aquelas que precisam ser decodificadas pelo microcode engine - e então ser alinhadas e enviadas para a fase de decodificação. Todo este processo éfeitoemapenas1ciclodeclock. Issoépossivelpoiso processador trapaceia usando uma pré-decodificação que éadicionadoquando ainstrução ébuscadadal1. Decode 1 e Decode 2: Existem 2 tipos de hardware de decodificação - a decodificação direta feita pelo Fastpath decoder eadecodificação através do microcode engine. Ambastraduzemintruções x86 em instruções internas no formato RISC-like,queémaisfacilparaoprocessadordeexecução administrar. O Fastpath decoder traduz cada instrução em no máximo 2 UOPS. Isso é, este decodificador encarrega-se das intruções x86 mais simples. O Fastpath decoder pode traduzir até 3intruções x86 de uma vez em até 3UOPSporciclo. O microcode decoder encarrega-se das intruções que são traduzidas em mais do que 2 UOPS. Ele pode trabalhar em apenas uma intrução x86 de cada vez, e pode produzir até 3UOPSporciclo. Pack, Pack/Decode e Dispatch: Umavezqueosdecodificadoresproduziramum conjunto de Macroops, estas operações são agrupadas 3 de cada vez em grupos de despacho. Uma vez as intruções agrupadas, algum processo final de decodificação éfeitoeentão cada grupo éenviadoparaobufferdereordenação. Por fim as MacroOps são despachadas para a unidade de execução, onde a sua execução éagendada. AGU/ALU: Nessaetapaéfeitaaexecução propriamente dita. Data Cache 1 e Data Cache 2: Nessaetapaosdadossão gravados no cache L1 de dados. Na figura 4 podemos ver um diagrama que representa a arquitectura interna de execução do processador Athlon64, e uma tabela com as fases do pipeline de inteiros. 6. Temperatura e consumo Os processadores AMD64 em geral, consomem pouca energia e esquentam pouco, isso se deve ao fato da nova tecnologia de fabricação SOI (silicon-on-insulator, silício sobre isolante ) e a fabricação em 90 nanômetros (nm). Oconsumomáximo e o aquecimento do processador, estão relacionados ao TDP (Thermal Design Power) medido em watts. Geralmente o consumo realémenor.
Figure 4. Arquitetura interna de execução Nas figuras 5 e 6 pode ser observado uma tabela comparativa entre o consumo dos diversos modelos de Athlon64 e alguns concorrentes. Figure 5. Consumo no Windows sem processamento
Figure 6. Consumo usando o software Prime95 7. Modelos de Athlon 64 Os principais modelos de Atlhon 64 modem ser vistos na tabela 3[Wikipédia 2006a]. Modelo Clawhammer Newcastle Winchester Venice San Diego Tamanho (130 nm SOI) (130 nm SOI) (90 nm SOI) (90 nm SOI) (90 nm SOI) CPU-Stepping C0, CG CG D0 E3, E6 E4, E6 L1-Cache 64 + 64 KB 64 + 64 KB 64 + 64 KB 64 + 64 KB 64 + 64 KB (Dados + Inst) L2-Cache 1024 KB, 512 KB, 512 KB, 512 KB, 1024 KB, fullspeed fullspeed fullspeed fullspeed fullspeed Recursos MMX, MMX, MMX, MMX, MMX, Extended Extended Extended Extended Extended 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, SSE, SSE2, SSE, SSE2, SSE, SSE2, SSE, SSE2, SSE, SSE2, AMD64, AMD64, AMD64, SSE3, AMD64, SSE3, AMD64, Cool n Quiet, Cool n Quiet, Cool n Quiet, Cool n Quiet, Cool n Quiet, NX Bit NX Bit NX Bit NX Bit NX Bit (apenas CG) VCore 1.50 V 1.50 V 1.40 V 1.35 V or 1.40 V 1.35 V or 1.40 V Consumo 89 Watt max 89 Watt max 67 Watt max 67 Watt max 67 Watt max de Energia First Release 2003 2004 2004 Abril/2005 Abril/2005 Clockrate 2000-1800 - 1800-1800 - 2200-2600 MHz 2400 MHz 2200 MHz 2400 MHz 2800 MHz Table 3. Modelos de Athlon 64
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