Контрл. впр. Контрольные вопросы к лекции CPU компьютеров. Сахненко Никита Вя. Лекции cpu компьютеров
 Скачать 52.35 Kb.
|
Назовите общие черты и особенности CISK- и RISK-процессоров. CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств: большим числом различных по формату и длине команд; введением большого числа различных режимов адресации; обладает сложной кодировкой инструкции. Компактность наборов инструкций уменьшает размер программ и уменьшает количество обращений к памяти. Наборы инструкций включают поддержку конструкций высокоуровневого программирования. Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее. Характерные особенности RISC-процессоров Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды. Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида Read-Modify-Write («прочитать-изменить-записать») отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store). Большое количество регистров общего назначения (32 и более). Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-разрядное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-разрядными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-разрядными словами. Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALcode (Privileged Architecture Library), помещённом в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-разрядного в 32-разрядный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти. 2. Какие микропроцессоры фирмы Intel вы знаете, что их характеризует? Каждой категории продукции Intel была присвоена своя цифра. Первыми изделиями Intel стали микросхемы памяти (PMOS-чипы), которым была присвоена нумерация 1xxx. В серии 2xxx разрабатывались микросхемы NMOS. Биполярные микросхемы были отнесены к серии 3xxx. 4-разрядные микропроцессоры получили обозначение 4xxx. Микросхемы CMOS получили обозначение 5xxx, память на магнитных доменах — 7xxx, 8- и более разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры принадлежали к серии 8xxx. Серии 6xxx и 9xxx не использовались. Вторая цифра обозначала тип продукции: 0 — процессоры, 1— микросхемы RAM, 2 — контроллеры, 3 — микросхемы ROM, 4 — сдвиговые регистры, 5 — микросхемы EPLD, 6 — микросхемы PROM, 7 — микросхемы EPROM, 8 — чипы наблюдения и схемы синхронизации в генераторах импульсов, 9 — чипы для телекоммуниаций. Третья и четвёртая цифры соответствовали порядковому номеру изделия. Для таких процессоров, как 8086/88, 186/188, 286, 386, 486, были выпущены сопроцессоры для операций с плавающей точкой, как правило, последней цифрой у таких сопроцессоров была 7 (8087, 187, 287, 387, 487). Микропроцессор 4004 В 1971 году появился первый микропроцессор корпорации Intel, 4004 был четырехбитовым, то есть он мог хранить, обрабатывать и записывать в память или считывать из нее четырехбитовые числа, предназначался данный микропроцессор для калькуляторов. Процессор Pentium Процессор Pentium стал одним из главных достижений фирмы Intel. Разработка процессора Pentium началась еще с июня 1989 года, в процессе его разработки и тестирования принимали активное участие все основные разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что немало способствовало общему успеху проекта. В 1993 года рбота завершилась широкой презентацией Pentium процессора. Объединяя более чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium- процессор характеризуется высокой производительностью. Суперскалярная архитектура Pentium- процессора представляет собой двухконвейерную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более чем одной команды за один период тактовой частоты. Процессор Pentium научил компьютеры работать с атрибутами "реального мира" — такими, как звук, голосовая и письменная речь, фотоизображения. Процессор Pentium Pro Процессор Pentium Pro, разрабатывался как мощное средство наращивания быстродействия 32-разрядных приложений для серверов и рабочих станций, систем автоматизированного проектирования, программных пакетов, используемых в машиностроении и научной работе. Все процессоры Pentium Pro оснащаются второй микросхемой кэш-памяти, еще больше увеличивающей быстродействие. Мощнейший процессор Pentium Pro насчитывает 5,5 миллионов транзисторов. Процессор Pentium 4 Технологический процесс: 0,18 мкм (1,40 и 1,50 ГГц) Представлен 20 ноября 2000 года L2-кэш — интегрированный 256 КБ (Advanced Transfer) Частота системной шины: 400 МГц Количество транзисторов: 42 миллиона Используется в настольных компьютерах и рабочих станциях начального уровня Технологический процесс: 0,13 мкм «Northwood A» (1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 ГГц) Улучшенное предсказание переходов и другие улучшения микрокода Интегрированный L2-кэш 512 КБ Количество транзисторов: 55 миллионов Частота системной шины: 400 МГц Технологический процесс: 0,13 мкм «Northwood B» (2.26, 2.4, 2.53, 2.66, 2.8, 3.06 ГГц) Обобщенная информация о Pentium 4 Производство с2000 по 2008 год Частота ЦП 1300 – 3800 МГц Частота FSB 400 – 1066 МГц Технология КМОП, 180 – 65 нм  Pentium 4 (Socket 423) Процессоры Pentium 4 на ядрах Willamette и Northwood имеют конвейер глубиной 20 стадий, а процессоры на ядрах Prescott и Cedar Mill — 31 стадию . Для увеличения темпа выполнения основных целочисленных операций АЛУ процессоров архитектуры NetBurst разделено на несколько блоков( Рис 5.12): «медленное АЛУ», способное выполнять большое количество целочисленных операций, и два «быстрых АЛУ», выполняющих только простейшие целочисленные операции (например, сложение). 7 января 2002 года компанией Intel были анонсированы процессоры Pentium 4 на новом ядре Northwood. Процессоры на ядре Northwood содержали 55 млн транзисторов и производились по новой 130 нм КМОП-технологии с медными соединениями. За счёт использования новой технологии производства удалось значительно сократить площадь кристалла: Тактовая частота процессоров Pentium 4 на ядре Northwood составляла 1,6—3,4 ГГц, частота системной шины — 400, 533 или 800 МГц в зависимости от модели. Все процессоры на ядре Northwood выпускались в корпусе типа FC-mPGA2 и предназначались для установки в системные платы с разъёмом Socket 478, напряжение ядра этих процессоров составляло 1,475—1,55 В в зависимости от модели, а максимальное тепловыделение — 134 Вт на частоте 3,4 ГГц.. Кэш данных первого уровня был увеличен с 8 до 16 Кбайт, а кэш второго уровня — с 512 Кбайт до 1 Мбайт. Pentium MMX 8 января 1997 года - корпорация Intel анонсировала процессор Pentium с технологией MMX - первый микропроцессор, в котором реализована разработанная Intel новая технология, позволяющая повысить эффективность приложений, работающих с различными видами информации (видео, аудио и т.п.). Инженеры корпорации Intel разработали 57 новых инструкций, которые позволили повысить производительность при выполнении наиболее типичных циклов, требующих интенсивных вычислений и характерных для приложений данного класса. Pentium II Микропроцессор для настольных систем с поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP), ограниченной двумя микропроцессорами Представлен: 7 мая 1997 года Pentium Pro с MMX и улучшенной производительностью для 16-битных приложений Упаковка процессора: 242-контактный Slot 1 SEC Количество транзисторов: 7,5 миллиона Частота системной шины: 66 МГц Кэш L1: 32 КБ Внешний кэш L2: 256 или 512 КБ на 1/2 скорости Celeron (Pentium II-based) Микропроцессор для малобюджетных настольных систем с неофициальной поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP), ограниченной двумя микропроцессорами Представлен: 15 апреля 1998 года Упаковка процессора: 242-контактный Slot 1 SEPP (Single Edge Processor Package) Количество транзисторов: 7,5 миллиона Частота системной шины: 66 МГц Кэш L1: 32 КБ Нет кэша L2 Pentium III Микропроцессор для настольных систем с поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP), ограниченной двумя микропроцессорами Представлен: 26 февраля 1999 года Улучшенный Pentium II, а именно — ядро, основанное на P6, включающее в себя Streaming SIMD Extensions (SSE) Количество транзисторов: 9,5 миллиона Кэш L1: 32 КБ Кэш данных: 16 Кб, 4-канальный наборно-ассоциативный, длина строки — 32 байта, двухпортовый Кэш инструкций: 16 Кб, 4-канальный наборно-ассоциативный, длина строки — 32 байта Кэш L2: 512 КБ (внешний, на 1/2 скорости) Упаковка процессора: 242-контактный Slot-1 SECC2 (Single Edge Contact cartridge 2) Частота системной шины: 100 МГц Pentium II и III Xeon Микропроцессоры для серверов и рабочих станций с поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP) Представлен: 25 октября 1999 года Количество транзисторов: 9,5 миллиона при технологии 0,25 мкм или 28 миллионов при 0,18 мкм Кэш L2: 256 КБ, 1 МБ или 2 МБ (интегрированный) Упаковка процессора: Single Edge Contact Cartridge (SECC2) или SC330 Частота системной шины: 133 МГц (с кэшем L2 256 КБ) или 100 МГц (с кэшем L2 1-2 МБ) Ширина системной шины: 64 бита Адресуемая память: 64 гигабайта Использовался в двухпроцессорных серверах и рабочих станциях (256 КБ L2) или 4- и 8-процессорных серверах (1-2 МБ L2) Celeron (Pentium III, базирующийся на ядре Coppermine) Микропроцессор для малобюджетных настольных систем Представлен: в марте 2000 года Технологический процесс Coppermine-128 — 0,18 мкм Streaming SIMD Extensions (SSE) Упаковка процессора: Socket 370 PPGA Количество транзисторов: 28,1 миллиона Частота системной шины: 66 МГц, процессор с частотой шины 100 МГц был представлен 3 января 2001 года Кэш L1: 32 КБ Кэш L2: 128 КБ (Advanced Transfer) Celeron (Pentium III на ядре Tualatin) Микропроцессор для малобюджетных настольных систем Технологический процесс Tualatin Celeron — 0,13 мкм Кэш L1: 32 КБ Кэш L2: 256 КБ (Advanced Transfer) Частота системной шины: 100 МГц Pentium M Представлен в марте 2003 Технологический процесс: 0,13 мкм (Banias) Кэш L1: 64 КБ Кэш L2: 1 МБ (встроенный) Базируется на ядре Pentium III, с инструкциями SIMD SSE2 и глубоким конвейером Количество транзисторов: 77 миллионов Упаковка процессора: Micro-FCPGA, Micro-FCBGA Сердце мобильной системы Intel «Centrino» Частота системной шины: 400 МГц (Netburst) 64-битные процессоры: EM64T — микроархитектура Intel Core Xeon Woodcrest — 65-нм технологический процесс Микропроцессор для серверов и рабочих станций с поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP) (в случае двухпроцессорных систем) Представлен: 26 июня 2006 года Двухъядерный (Dual-Core) микропроцессор Поддержка инструкций SIMD: SSE4 Реализованы технологии: Intel Virtualization Technology — поддержка нескольких операционных систем на одном компьютере EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) в моделях 5140, 5148LV, 5150, 5160 Execute Disable Bit LaGrande Technology — enhanced security hardware extensions iAMT2 (Intel Active Management Technology) — удалённое управление компьютерами Clovertown — 65-нм технологический процесс Микропроцессор для серверов и рабочих станций с поддержкой симметричной многопроцессорности (SMP) (в случае двухпроцессорных систем) Представлен: 13 декабря 2006 года Четырёхъядерный (Quad-Core) микропроцессор Intel Virtualization Technology — поддержка нескольких операционных систем на одном компьютере EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) Execute Disable Bit LaGrande Technology — enhanced security hardware extensions SSSE3 SIMD instructions iAMT2 (Intel Active Management Technology) — удалённое управление компьютерами Arrandale — 32-нм технологический процесс Микропроцессор для мобильных систем, позиционируется как семейство процессоров начального уровня цены и производительности Представлен во втором квартале 2010 года В один корпус с процессором интегрировано видеоядро, изготовленное по 45 нм технологическому процессу Реализованы технологии: Execute Disable Bit Intel Virtualization Technology (VT-x) EIST (Enhanced Intel Speed Step Technology) Сокеты: µPGA-988, BGA-1288 Clarkdale — 32-нм технологический процесс Микропроцессор для настольных систем, позиционируется как семейство процессоров начального уровня цены и производительности Представлен 7 января 2010 года В один корпус с процессором интегрировано видеоядро, изготовленное по 45 нм технологическому процессу Реализованы технологии: Execute Disable Bit Intel Virtualization Technology (VT-x) EIST (Enhanced Intel Speed Step Technology) Сокет: LGA1156 Jasper Forest — 45-нм технологический процесс Микропроцессор для настольных встраиваемых систем, позиционируется как семейство процессоров начального уровня цены и производительности Анонс в первом квартале 2010 года Реализованы технологии: HT (Intel Hyperthreading Technology) Execute Disable Bit Intel Virtualization Technology (VT-x) EIST (Enhanced Intel Speed Step Technology) Сокет: LGA1366 3. Как связано ОЗУ с микропроцессорным комплектом ЭВМ? ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (СМ). По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить. По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из п матриц ЭП, где п — количество разрядов в машинном слове). 4. От чего зависит максимальная емкость ОП? Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить т, то емкость памяти, т.е. количество элементов памяти, имеющих уникальные адреса, определяется как 2т. Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержит 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 220 = 1 Мбайт. В IBM PC АТ (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП может быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина данных содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 232 = 4 Гбайт. 5. Как связаны между собой количество ядер и число потоков решаемых задач? количество ядер - это физическое количество ядер на самом процессоре, тогда как количество потоков-это количество отдельных потоков приложений, которые могут выполняться одновременно на самом процессоре. Без каких-либо дополнительных или специальных аппаратных средств, это всегда равно количеству ядер. После создания технологии многопоточности (Intel Процессорах есть функция, которая называется hyperthreading,) которое позволяет операционной системе увидеть двойное количество логических ядер в физическое ядро. Это позволяет операционной системе планировать и запускать в два раза больше потоков одновременно, поэтому в случае процессора, с которым я связался выше, есть четыре физических ядра, но восемь логических (так что вы можете запускать восемь потоков одновременно). каждое отдельное приложение, работающее в операционной системе, является однопоточным или многопоточным (каждый поток следует рассматривать как "вложенное приложение"). Однопоточные приложения требуют, чтобы только один поток выполнялся на ЦП, в то время как многопоточные приложения имеют много потоков, работающих одновременно. Дополнительные ядра, или Hyper-threading, позволяет одновременно запускать несколько потоков приложений. Это позволяет многопоточным программам для запуска гораздо быстрее, так как более чем один поток может работать сразу на процессоре. 6. Назначение и распределение функций кэш-памяти процессора. При обращение процессором на прямую к оперативной памяти, ОП не успевает обслуживать поступающие заявки, процессору в этом случае приходится простаивать. Поэтому необходимо какими-либо методами согласовать быстродействие процессора и ОП. Сделать это можно 2 способами: 1. Построить ОП на более быстродействующей элементной базе (дорогостоящий) 2. Использовать специальное структурное решение при организации уровней подсистемы памяти, а именно включений между процессором и ОП быстродействующий КЭШ. Отличительными особенностями КЭШ являются: 1. Малый объем (от 8кбайт) 2. Быстродействие сравнимое с быстродействием процессора. КЭШ – это тайник, недоступно для программ, так как не может быть адресовано машинными командами. В процессе выполнения задачи, некоторое подмножество блоков в ОП находятся строго в КЭШ. Каждая строка в КЭШ снабжается ТЭГом, является служебной областью, как правило ТЭГ содержит старшие разряды поля адресов памяти. ТЭГ нужен для установления соответствия между ОП и КЭШ. Важной отличительной особенностью КЭШ является то, что две операции передачи слова и загрузка блока в ОП могут происходить одновременно. КЭШ соединен с процессором линиями: адрес, данные, управление. Линии данные и адрес подключены к соответствующим буфером. Эти буферы имеют выход на системную магистраль, через которую они могут обмениваться с ОП информацией. Если происходит событие КЭШ попадания, то буферы адреса и данных блокируется. Если происходит КЭШ попадание, то буферы адреса и данных блокируются, весь процесс обращения ведется без участия ОП. Если происходит событие КЭШ промах, то затребованный процессором адрес выставляется в буфер адреса , передается на системную магистраль, затем происходит поиск в ОП, блок информации копируется в буфер данных, затем передается в КЭШ, затем ЦП. 7. Перечислите важнейшие характеристики процессора. Основными характеристиками процессора являются: Тактовая частота — количество элементарных операций (тактов), которые процессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц). Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Это утверждение верно для одного поколения процессоров, поскольку в разных моделях процессоров для выполнения определенных действий надо разное количество тактов. Разрядность — количество двоичных разрядов (битов) информации, которое обрабатывается (или передается) за один такт. Разрядность также определяет количество двоичных разрядов, которое может быть использовано в процессоре для адресации оперативной памяти. Процессоры также характеризуются: типом процессорного «ядра» (технологией производства, определяемой толщиной минимальных элементов микропроцессора); частотой шины, на которой они работают; размером кэш-памяти; принадлежностью к определенному семейству (а также поколению и модификации); «форм-фактором» 8. Этапы выполнения команды процессором. При выполнении каждой команды процессор выполняет некоторую последовательность действий, называемую циклом выполнения команды. Каждый цикл работы процессора состоит из нескольких фаз. Стандартные фазы работы ЦП включают в себя: Выборка команды 1)поэтапное формирование адреса команды в ОП: преобразование логического адреса команды CS:EIP в линейный с проверкой последнего на нарушение границ сегмента кода, преобразование линейного адреса в физический с проверкой присутствия страницы в ОП (блок страничной переадресации использует заданный механизм страничной переадресации: базовый, или PSE, или PAE), выставление физического адреса команды в ОП на ША, 2)цикл чтения команды: считывание очередного байта команды из основной памяти, побайтный анализ полей команды и либо передача байта операционной части команды в регистр команды (IR) центрального устройства управления (ЦУУ), либо передача байтов адресной части команды в адресный регистр (ADR) устройства управления памятью (УУП), проверка необходимости дальнейшей выборки байтов команды, 3)модификация содержимого счетчика команд – регистра EIP, для выборки следующей команды. Выборка операндов 1)анализ местоположения операнда (согласно режиму адресации - постбайту mod r/m), 2)в зависимости от местонахождения операнда обращение либо в ОП, либо к регистру локальной памяти, либо к регистру ADR, считывание операнда и передача данных по ШД в регистр АЛУ. 2,а) операнд в ОП (процедура аналогична выборке команды): преобразование линейного адреса в физический с проверкой присутствия страницы в ОП. выставление физического адреса операнда в ОП на ША, передача операнда из ОП по ШД в регистр АЛУ, 2,б) операнд в РП: выставление физического адреса операнда в РП на внутреннюю ША, передача операнда из РП по внутренней ШД в регистр АЛУ, 2,в) операнд в команде: передача операнда из адресной части команды – регистра ADR в регистр АЛУ, Выполнение операции выполнение в АЛУ, регистрах и схемах сопряжения действий, задаваемых кодом операции из команды, находящейся в регистре команд IR.КОП. Каждая операция выполняется по определённому алгоритму, анализируются ограничения и возможность появления ошибок (см. исключения). изменение состояния процессора и системы в целом (установка признаков и разрядов служебных и системных регистров, если требуется). Запись результатов результат операции передается из регистра АЛУ в локальную или основную память по адресу, определяемому адресной частью команды или неявно заданному кодом операции (как правило, на место первого операнда). Обработки прерывания выполнение действий в ответ на сигналы от внутренних и внешних источников, требующих немедленной реакции ЭВМ. 9. Какие стадии содержит микропроцессор с конвейерной архитектурой? в RISC-процессорах используется простой пятиуровневый конвейер: IF (англ. Instruction Fetch) — получение инструкции, ID (англ. Instruction Decode) — раскодирование инструкции, EX (англ. Execute) — выполнение, MEM (англ. Memory access) — доступ к памяти, WB (англ. Register write back) — запись в регистр. Множество схем включают в себя конвейеры в 7, 10 или даже 20 уровней (как, например, в процессоре Pentium 4). Поздние ядра Pentium 4 с кодовыми именами Prescott и Cedar Mill (и их Pentium D-производные) имеют 31-уровневый конвейер. Процессор Xelerator X10q имеет конвейер длиной более чем в тысячу шагов. 10. Каковы направления развития современных компьютеров? Направления развития компьютерной техники.( тенденции) На данный момент активно ведутся разработки молекулярных устройств, оптических и квантовых компьютеров, а также ДНК-компьютеров. В основе молекулярных компьютеров лежат бистабильные молекулы, которые могут находится в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое такое состояние характеризуется своими химическими и физическими свойствами. Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрических и магнитных полей. По сути, эти молекулы являются транзисторами размером в несколько нанометров. Квантовый компьютер основан на законах квантовой механики. Для выполнения операций квантовый компьютер использует не биты, а кубиты - квантовые аналоги битов. В отличие от битов, кубиты могут одновременно находится в нескольких состояниях. Такое свойство кубитов позволяет квантовому компьютеру за единицу времени проводить больше вычислений. Область применения квантового компьютера – переборные задачи с большим числом итераций. |