Pentium 4架构解析 翻译机
超管线的技术 Pentium 4是第一个采用IA架构的CPU，IA架构是英特尔自己发明的CPU架构，以区别于之前的 RISC或是CISC。由于目前的操作系统大部分都还是32位的，因此 Pentium 4使用的也是IA－32架构。 在Pentium 4中，首先最让人注意的就是其管线的结构完全不同了。从前P6架构使用的是10个管线，但是在Pentium 4中， 这次大胆地用了20个管线。英特尔将这个架构称之为“超管线技术”(Hyper Pipelined Technology)。 20个管线不但超过了P6的10条管线，更比P5的5条管线多了四倍。 我们用“大胆”这个词，表示管线越多虽然可能带来更快的速度，但是在有些地方可能也会有不好的效果。管线多的好处就是可以让CPU的时钟再加快，而不需要将die size减小。而更多的管线，也会让每一个时钟能处理的指令(InstUCtion per clock，IPC)变少。
更快的时钟 从字面上来看，每一个时钟能处理的指令变少了，当然CPU的速度就变慢了。但如果我们能让CPU的时钟加快，那么同样的时间之内，能处理的指令还是可以达到一个可接受的速度，这也是为什么Pentium 4在上市时，就会从1.4GHz起步(也可能有1.5GHz的产品)。目前最快的Pentium Ⅲ为1.13GHz，如果我们单纯比较每个时钟中能处理的指令，同时钟的Pentium Ⅲ应该会比Pentium 4快，但幸好Pentium 4的时钟较快，因此在光比这一部分时，Pentium 4还是占了上风。
分支预测 自从Pentium之后，由于CPU几乎都已经高度管线化了，因此要增加管线的效率，分支预测占了很重要的角色。告诉管线下一步要怎么做，当然可以增加执行的速度。但是分支预测还是一种“猜测”，换句话说，当猜对时，系统的速度当然如鱼得水，快速前进，但最怕的就是预测的下一步骤是错误时，所有的指令性都必须回到管线的最前段，重新再进入管线从头来过。 从上一段你就可以了解，如果管线只有10个，那么当分支预测错误时，所花费的时间会少很多，但是如果有了20个管线，那么当分支预测出错时，所花费的时间就会比10个阶段的管线多出许多了。 英特尔的Pentium 4敢使用20个管线，想必一定有其理由，但如果要将分支误判所造成的时间要回来，想必一定要有其它的机制来将这个缺点克服。
更快速的运算单元 为了怕分支预测对Pentium 4速度造成极大的影响，英特尔在Pentium 4中使用了更快的运算单元。在Pentium 4中的算术逻辑单元中 (ALU)，其运算的频率可以是CPU整体运算时钟的两倍。换句话说，如果上市时的Pentium 4其时钟为1.4GHz，那么其ALU内部的运算时钟就是2.8GHz，这个速度应该是有史以来X86 CPU中最快的一个了。 英特尔将这个功能视为 NetBurst架构中最重要的部分之一，而ALU也被称之为“Double Pumped ALU”。想想看，如果在Pentium 4上市时有2GHz的产品，其ALU的内部运算时钟将高达4GHz，这是多么可怕的一件事啊！ 快速的ALU时钟可想而知一定会让整数的运算速度加快，但从前面的讨论得知，也应该是要为了补上IPC太少及分支预测错误的不足，但是在这些优点及缺点的平衡之下，Pentium 4是否真的会超过同时钟的Pentium Ⅲ或是Athlon就不得而知了，相信一定要在实际的测试之后才能分出高下。
改良的高速缓存 事实上，分支预测的问题在英特尔内部设计Pentium 4之初也起了不少争议，但是真正能摆平这个问题的重要因素，最后还是回到了高速缓存上。英特尔发展出一套称之为“执行追踪Cache”(Execution Trace Cache)的技术，希望能将分支预测的问题彻底解决。 事实上，任何X86系列的CPU，都会有一个译码器。这个译码器的用处就是将已经截取下来的指令集“译码”成执行单元看得懂的小指令。而这个译码器中的正反电路，是所有逻辑单元中数量最多的一种。因此在解释指令时，会花上比其它逻辑电路还要多的时间。如此一来，当第一次执行指令时，或是在分支预测上出问题时，就会造成整个CPU速度的下降。 执行追踪Cache是介于译码阶段及第一次执行之间的中间角色，在译码完成之后，就是执行追踪的任务了。其将译码完的微指令(micro－op)储存起来，而所谓的微指令，就是在截取及译码之后准备执行的小指令。当执行一个新的指令时，系统不需要重新再执行整个截取及译码的动作，Pentium 4可以直接到这个执行追踪Cache中取得这个小指令，将译码完毕的微指令取出开始执行。 我们前面提到，执行追踪Cache的用途其实有很大一部分是在弥补分支预测错误所造成的问题。有了这个机制，当Pentium 4的20阶段管线在预测执行错误而需要从头来过时，就可以不需要重新来过，也是可以到Cache中找资料，因此也降低了因分支预测错误而造成的时间消耗。 事实上，这个动作可说是英特尔在Cache技术上的一个突破。由于执行追踪Cache可以存放12KB的资料。而Pentium 4在 L1数据Cache上有8KB的大小，虽然比Pentium Ⅲ的16KB小，但在英特尔的效能测试中，并不会因Cache小了这么多而有显著的速度下降。
L2高速缓存 和Pentium Ⅲ一样，Pentium 4也拥有256KB的L2Cache。当然英特尔不会再犯同样的错误，L2高速缓存的速度和CPU的时钟一样快，但是资料的频宽则比目前的Pentium Ⅲ要大的多了。这是因为Pentium 4的时钟较快，而且使用在传输资料时，是每一个CPU时钟才会有资料进出的动作，因此频宽至少要是Pentium 4上L2高速缓存的两倍。举例来说，在1.4GHz的Pentium 4上，其L2高速缓存的速度是45GB，但是在同时钟的Pentium Ⅲ身上，可能只有不到23GB的数据传输量。
总线的速度 在Pentium 4上，总线的速度也是相当的、重要的。在经过了100MHz、133MHz之后，英特尔将总线速度直接冲上 400MHz，以超过AMD 200MHz的EV6总线。虽然速度到了400MHz之后，资料的传输量可以达到3GB以上，但是目前似乎这么宽大的高速公路还没有车子能跑到这个速度。 要配合全新的架构，英特尔当然要有全新的芯片组。使用的当然就是850芯片组。但是到目前为止，850芯片组比较像一个功能较少的840芯片组，关于850的详细内容请关注以后的文章。
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（出处：http://www.sheup.com）
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