Архитектура информационных систем. Литература по теме Практические задания Тема Устройство персонального компьютера системный блок и периферия Вопросы для самопроверки Литература по теме

• Название: Литература по теме Практические задания Тема Устройство персонального компьютера системный блок и периферия Вопросы для самопроверки Литература по теме
• Дата: 03.04.2022
• Размер: 5.96 Mb.
• Имя файла: Архитектура информационных систем.docx
• Тип: Литература; #437612
• страница: 4 из 10

Тема 4. Типы и логическое устройство процессоров

 

Цели и задачи:

Цели и задачи изученияданной темы – получение сведений о назначении и устройстве центрального процессора, порядке выполнения программного кода процессором, правилах обработке прерываний, работе в режиме многозадачности, архитектуре современных процессоров. Также вы познакомитесь с основными техническими характеристиками процессоров для IBM совместимых ПК.

 

В результате успешного изучения темы Вы:

Узнаете:

·     классификацию процессоров;

·     логическое и техническое устройство процессоров;

·     систему команд процессора, в том числе типы команд;

·     порядок обработки команд процессором;

·     назначение и принципы обработки прерываний процессором;

·     понятия архитектуры и микроархитектуры процессора;

·     основные технические параметры процессоров для ПК;

·     отличия процессоров Celeron от Pentium.

 

Приобретете следующие профессиональные компетенции:

·     умение определять технические параметры процессора по его описанию из прайс-листа;

·     умение выбирать процессор исходя из решаемых задач;

·     умение определять тип архитектуры процессора по его описанию;

·     умение выбирать наиболее подходящий тип архитектуры процессора исходя из решаемых задач.

 

В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:

 

Аппаратное прерывание - электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответствующего устройства. Прерывания используются для реакции на события, асинхронные по отношению к исполняемому в данный момент программному коду, а также переключения между выполняемыми задачами.

 

Архитектура процессора – это его программная модель, то есть программно-видимые свойства.

 

Закон Мура сформулирован Гордоном Муром в 1965 году и актуализирован им же в 1975 году. Согласно этому эмпирическому закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, удваивается каждые 2 года. В более общем случае означает двукратный рост производительности процессоров каждые два года.

 

Мироархитектура процессора - это внутренняя реализация его архитектуры (программной модели). Выделение архитектуры и микроархитектуры процессора позволяет производителям выпускать совместимые устройства, которые в тоже время имеют разную внутреннюю реализацию. Например, набор системы команд относится к архитектуре процессора, а объем и наличие кэш-памяти к микроархитектуре.

 

Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору.

 

Теоретический материал по теме

 

Процессор, или более точно микропроцессор (микросхема, которая помимо собственно процессора может содержать и другие узлы - например, кэш-память), также часто называемый ЦПУ (CPU - Central Processing Unit) является центральным компонентом компьютера. Это «мозг», который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера. Управление осуществляется посредством выполнения находящегося в памяти программного кода. Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору.

Последовательность выполнения инструкций может быть нарушена под воздействием внутренних (относительно процессора) и внешних причин. К внутренним причинам относятся исключения, т.е. особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (например, деление на ноль). Внешними причинами являются аппаратные прерывания. Источниками аппаратных прерываний являются контроллеры и адаптеры периферийных устройств, системы управления питанием и другие подсистемы. Аппаратное прерывание представляет собой электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответствующего устройства.

Процессор фон-неймановской машины фактически может выполнять только один процесс, передавая управление от инструкции к инструкции согласно программному коду. Для реакции на события, асинхронные по отношению к исполняемому в данный момент процессу используются аппаратные прерывания.

Прерывания используют и для переключения задач в многозадачных системах. Происходит это следующим образом. По аппаратному прерыванию выполнение одного процесса приостанавливается, а его текущее состояние сохраняется в памяти. После этого запускается другой процесс. Через некоторое время по следующему прерыванию выполняется обратное переключение. При этом переключения задач выполняются с такой частотой, что у пользователя создается впечатление одновременности и непрерывности выполнения процессов.

Современные процессоры имеют встроенные средства многозадачности (число задач почти не ограничено). В распоряжение каждой программы предоставляется виртуальная машина, в которой управление передается согласно программному коду, как будто она – единственный процесс. Поддержка виртуальных машин, распределение ресурсов реального компьютера, повышение производительности определили основные направления совершенствования процессоров.

В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор, последний превращается в микрокомпьютер. Микроконтроллер является специализированным микрокомпьютером, применяемым для управления различными устройствами (принтерами, терминалами, аппаратами передачи данных). Микроконтроллеры нередко выпускаются сериями по несколько миллионов штук.

Некоторые микропроцессоры могут быть дополнены сопроцессорами, расширяющими возможности первых и набор выполняемых команд. Простейшие микропроцессоры используются в компьютерных карточках.

Наряду с универсальными производятся специальные микропроцессоры. Каждый из них выполняет ограниченный набор функций, но он дешевле и потребляет меньше электроэнергии. На базе микропроцессоров создаются транспьютеры, выполняющие операции не только обработки, но и передачи данных.

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний создает проводники.

 

Логическое устройство и организация системы команд процессора.

В состав микропроцессора входят:

·     устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

·     арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

·     микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора;

·     регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

 

Основные виды регистров:

1.  Регистры общего назначения (РОН, General Purpose Registers) - общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти.

2.  Регистр команды (РК, Instruction Register IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

3.  Регистр - (РАК) счетчик (СчАК) адреса команды (program counter, PC) - регистр, содержащий адрес текущей команды.

4.  Сумматор - регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. (Иногда РЧ и РР включают в состав сумматора).

 

АЛУ классифицируются следующим образом:

1.  По способу действий над операндами:

·     АЛУ последовательного действия;

·     параллельного действия.

 

В последовательных АЛУ действия над операндами производятся последовательно разряд за разрядом начиная с младшего. В параллельных АЛУ все разряды операндов обрабатываются одновременно.

 

2.  По виду обрабатываемых чисел АЛУ могут производить операции над двоичными числами с фиксированной или плавающей запятой и над двоично- десятичными числами. В последнем случае каждая десятичная цифра записывается четырьмя разрядами двоичного кода:

 

1998

0001 1001 1001 1000

 

АЛУ при действии над двоично-десятичными числами должны содержать схему десятичной коррекции. Схема десятичной коррекции преобразует полученный результат таким образом, чтобы каждый двоично-десятичный разряд не содержал цифру больше 9.

При записи числа с фиксированной запятой запятая фиксируется после младшего разряда, если число целое, и перед старшим, если число меньше 1.

При записи чисел с плавающей запятой выделяется целая часть, которая называется мантиссой, и показатель степени, который характеризует положение запятой.

 

3.  По организации действий над операндами:

·     блочные;

·     многофункциональные АЛУ.

 

В блочных АЛУ отдельные блоки предназначены для действий над двоично-десятичными числами, отдельно для действий над числами с фиксированной запятой, отдельно с плавающей запятой.

В многофункциональных АЛУ (рис. 19) одни и те же блоки обрабатывают числа с фиксированной запятой, плавающей запятой и двоично-десятичные числа.

 



 

Рис. 19. Многофункциональное АЛУ

 

Клапаны К1 и К2 объединяют сумматоры 1, 2 и 3 для действий над числами с фиксированной запятой.

Для действий над числами с плавающей запятой клапан К2 объединяет сумматоры 2 и 3 для обработки мантисс, а клапан К1 отсоединяет первый сумматор от второго. Сумматор 1 обрабатывает порядки.

 

4.  По структуре:

·     АЛУ с непосредственными связями;

·     многосвязные.

 

В многосвязных АЛУ входы и выходы регистров приемников и источников информации подсоединяются к одной шине. Распределение входных и выходных сигналов происходит под действием управляющих сигналов.

В АЛУ с непосредственной связью (рис. 20) вход регистра приемника связан с выходом регистра источника операндов и регистра, в котором происходит обработка. Например, в этой схеме суммирование происходит так: операнды подаются в регистр 1. Регистр 2 является накапливающим сумматором или автоматом с памятью. Он суммирует слагаемые, поступающие в разные моменты времени и передает результат в регистр 3.

 



 

Рис. 20. АЛУ с непосредственной связью

 

Умножение в этом АЛУ происходит так: множимое помещают в регистр 4, множитель - в регистр 1. Регистры 2 и 3 являются, кроме того, сдвигающими регистрами. В зависимости от содержимого разряда множителя, множимое сдвигается на один разряд, если множитель содержит 1, и на два, если множитель содержит 0. Эти частные произведения суммируются в регистре 2.

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в оперативную память, включение и отключение внешних устройств.

 

В общем виде обработка команд осуществляется следующим образом.

1.  В соответствии с содержимым РАК устройство управления (УУ) извлекает из оперативной памяти очередную команду и помещает ее в РК.

Типичная команда содержит:

·     код операции (КОП) — характеризующий тип выполняемого действия (сложение, вычитание и пр. чисел; сравнение строк; передача управления, обращение к ВУ и пр.);

·     номера индексного (ИР) и базисного (БР) регистров (в некоторых машинах - адреса слов, ячеек ОП, в которых размещена соответствующая информация);

·     адреса операндов А1, А2 и т.д., участвующих в выполнении команды (чисел, строк, других команд программы).

 

2.  Осуществляется расшифровка КОП.

3.  Адреса А1, А2 и пр. помещаются в регистры адреса (РА).

4.  Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА — фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде. При этом ИР используются для текущего изменения адреса, связанного с работой программы (например, при обработке массива чисел). БР используется для глобального смещения программы или данных в ОП;

5.  По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ;

6.  выполнение операции (арифметической, логической и пр.) и помещение результата в РР.

7.  Запись результата по одному из адресов (если необходимо).

8.  увеличение содержимого РАК на единицу (переход к следующей команде).

 

Известны одно-, двух- и трехадресные системы команд. Очевидна связь таких параметров процессора как длина адресного пространства, адресность, разрядность. Увеличение разрядности позволяет увеличить адресность команды и длину адреса (т.е. объем памяти, доступной данной команде). Увеличение адресности, в свою очередь, приводит к повышению быстродействия обработки (за счет снижения числа требуемых команд).

В трехадресной машине, например, сложение двух чисел требует одной команды (извлечь число по А1, число по А2, сложить и записать результат по А3). В двухадресной необходимы две команды (первая - извлечь число по А1 и поместить в РЧ (или сумматор), вторая - извлечь число по А1, сложить с содержимым РЧ и результат записать по А2). Легко видеть, что одноадресная машина потребует три команды. Поэтому неудивительно, что основная тенденция в развитии ЦУ ЭВМ состоит в увеличении разрядности.

·     Типовая структура трехадресной команды:

 



 

где

а2 и аЗ — адреса ячеек (регистров), где расположены, соответственно, первое и второе числа, участвующие в операции;

a1 — адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции.

 

·     Типовая структура двухадресной команды:

 



 

где

a1 - это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции;

а2 - обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число.

 

·     Типовая структура одноадресной команды:

 



 

где

a1 в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), в которой хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число - результат операции.

 

·     Безадресная командасодержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины.

 

Наибольшее применение в нашли двухадресные команды.

Пример трехадресной команды, записанной на языке символического кодирования:

 

СЛ    1003 5102 0103

 

Эту команду следует расшифровать так: сложить число, записанное в ячейке 0103 памяти, с числом, записанным в ячейке 5102, а затем результат (то есть сумму) поместить в ячейку 1003.

Таким образом, программирование в машинных адресах требует знания системы команд конкретной ЭВМ и их адресности. При этом реализация даже довольно несложных вычислений требует разложения их на простые операции, что значительно увеличивает общий объем программы и затрудняет ее чтение и отладку.

 

Технические характеристики процессоров.

В IBM-совместимых ПК применяются процессоры, совместимые с семейством 80x86 фирмы Intel. В оригинальной машине IBM PC использовался процессор с 16-разрядными регистрами. Все следующие модели процессоров включают в себя подмножество системы команд и архитектуры предыдущих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО.

Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Все современные процессоры для IBM-совместимых ПК соответствуют архитектуре IA-32 (Intel Architecture 32 bit), и более продвинутой IA-64.

Под мироархитектурой процессора понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры IA-32 разными производителями и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микроархитектурные реализации.

Именно микроахитектура определяет тип процессора, при этом процессоры с близкой микроархитектурой получили условные названия: Intel 80386, Intel Pentium III, AMD K6 и другие. Так же процессоры принципиально различаются по некоторым техническим характеристикам. Наиболее существенной из них является тип слота (Socket), т.е. разъема для крепления процессора на материнской плате.

Таким образом, тип процессора характеризуется следующими основными параметрами:

·     производитель;

·     технология производства;

·     тактовая частота ядра;

·     тактовая частота системной шины;

·     разрядность;

·     объем кэш-памяти первого, второго и третьего уровня (для многоядерных процессоров устанавливается кэш-память второго уровня для каждого ядра и общая кэш-память третьего уровня);

·     длина и количество конвейеров;

·     слот.

 

Производитель. В настоящее время процессоры для IBM-совместимых ПК изготавливаются фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM, Rise, IDT, VIA (купившей Cyrix). На отечественном компьютерном рынке наибольшее распространение получили процессоры первых трех производителей, при этом львиная доля приходится на процессоры Intel.

Технология производства определяет наименьший размер деталей (главным образом транзисторов), входящих в процессор. На сегодняшний день это в основном, 45 - 22 нанометра (в будущем планируется уменьшение до 5 нанометров). Чтобы представить себе размеры таких деталей, напомню, что 1 нанометр равен одной миллиардной доле метра. В тоже время, чем меньше размер транзистора, тем выше плотность их размещения, поэтому настанет момент, когда электрический разряд одного транзистора будет влиять на соседние. При достижении этого придела разработчикам придется применять новые технологии либо отказаться от увеличения плотности размещения транзисторов.

В целом, рост производительности определяется законом Мура согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Однако в последние годы темпы роста производительности ускорились и данной закон соблюдаться не в полной мере, так специалисты Intel говорят о двукратном увеличении производительности каждые 18 месяцев.

Тактовая частота ядра. В прайс-листах является основным показателем производительности процессора (и, соответственно, его цены). Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2 миллиарда раз в секунду, а каждый тик (такт) влечет за собой выполнение многих действий. Таким образом, тактовая частота ядра определяет скорость работы процессора, измеряемую количеством тактов в секунду.

Тактовая частота системной шины определяет максимально возможную скорость обмена данными между процессором и другими устройствами, главным образом оперативной памятью ПК.

Разрядность процессора определяет максимальную длину одной единицы обрабатываемой информации в битах. Так, один из первых персональных компьютеров Altair, выпущенный в 1974 году, имел восьмиразрядный процессор, то есть он мог параллельно обрабатывать восемь битов информации. Такой процессор мог складывать 32-битные числа, выполнив несколько инструкций. Сейчас используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры, позволяющие решить эту задачу в одну инструкцию. Кроме того, 64-разрядные микропроцессоры позволяют резко увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают.

Объем кэш-памяти первого, второго и третьего уровня. Кэш-память (от англ. сache – тайный склад) обеспечивает промежуточное хранение данных между различными типами памяти. Принцип работы следующий: при обращении к оперативной памяти в кэш-память копируются запрошенные данные. При следующем запросе к памяти процессор сначала просматривает кэш-память, и если нужных данных не находит, только тогда обращается к оперативной памяти.

Кэш-память второго и третьего уровня является промежуточным хранилищем между оперативной памятью и кэш-памятью первого уровня, из которой данные поступают непосредственно в процессор. В современных моделях процессоров кэш-память всех уровней работает с тактовой частотой ядра процессора (в предыдущих моделях кэш-память второго уровня работала на тактовой частоте системной шины).

Длина конвейера. Механизм конвейеризации (pipelining) представляет собой способ распараллеливания выполнения последовательно расположенных инструкций.

Традиционно, выполнение одной инструкции занимало пять тактов - один для загрузки инструкции, другой для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. Одновременно процессор мог обрабатывать только одну инструкцию.

При конвейерной обработке каждый этап обработки инструкции выполняется на своей ступени конвейера процессора. При выполнении инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения следующих ступеней. Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется, и записывается результат для пятой. Таким образом, выполнение одной инструкции занимает один такт вместо пяти, что существенно влияет на производительность процессора.

Конвейер «классического» процессора Pentium имеет пять ступеней (как в приведенном выше примере). Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой имеют большее число ступеней (гиперконвейер Pentium IV имеет уже 20 ступеней).

Скалярным называют процессор с единственным конвейером (все процессоры Intel до 80486 включительно). Суперскалярный процессор имеет несколько конвейеров, способных обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium II – трехпотоковым.

Слот определяет тип корпуса микросхемы, в которой размещен процессор. Важно чтобы тип слота процессора соответствовал слоту на материнской плате, иначе процессор просто не удастся установить из-за несовпадения разъемов. Многообразие слотов обусловлено микроархитектурными решениями производителей, в частности способами размещения кэш-памяти.

Революционным решением в устройстве процессоров был перенос «ножек» процессора на материнскую плату начиная с Socket 775 фирмы Intel (рис. 21). Сделано это было по причине того, что средняя цена процессора стала выше средней цены материнской платы, поэтому при повреждении ножек процессора (как наиболее уязвимой части устройства), потребитель терял больше денег. В тоже время перенос «ножек» на материнскую плату значительно снизил вероятность их поломки и изгиба и обеспечил дополнительную возможность сокращения тепловыделения.

 



 

Рис. 21. Внешний вид процессора и разъема Socket 775

 

Рисунок 21 иллюстрирует устройство ножек на процессорном сокете. Они имеют не очень простую форму и сделаны так чтобы слегка «подпружинивать» контактные площадки на процессоре. По словам Intel, коническая форма оконечников ножек (на фото не видна, т.к. они сфотографированы «в профиль») выбрана не случайно: в случае плохого контакта выделяемое тепло будет частично размягчать «острие» на конце ножки, и способствовать устранению неплотности в контакте.

На рисунке 22 представлен процессор установленный в закрытый слот Socket 775. Все вместе производит впечатление некой почти монолитной металлической конструкции, надежно защищенной от любых внешних воздействий. Именно небольшие размеры, прочность и защищенность Socket 775 (и его последующих модификаций Socket 1155 Socket 1156) в закрытом состоянии является основным видимым преимуществом пред другими типами слотов.

 



 

Рис. 22. Процессор, установленный в Socket 775

 

В некоторых случаях допускается установка процессора в разъем материнской платы с другим типом слота. Для этого используются специальное устройство – переходник. Так, например, процессор Intel Pentium III сокет 370 через переходник может быть установлен в слот 1.

Процессоры Celeron от Pentium устанавливаются в один и тот же тип слота, поскольку Celeron является «облегченным» вариантом Pentium. Основные отличия состоят в следующем:

1.  Кэш-память второго уровня либо отсутствует, либо ее объем в 2-3 раза меньше, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра.

2.  Celeron предназначены только для одиночных конфигураций. Некоторые модели допускают использовать Celeron в двухпроцессорных системах, но это малоэффективно.

3.  Тактовая частота системной шины, как правило, на порядок ниже, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра.

 

В качестве примера рассмотрим процессор Intel Pentium G620. Описание по прайс-листу: Intel «Pentium G620» (2.60ГГц, 2x256КБ+3МБ, EM64T, GPU) Socket1155.

Спецификация:

1.  производитель: Intel;

2.  торговое название процессора: Pentium G620;

3.  тактовая частота ядра: 2.60ГГц;

4.  тип слота микропроцессора: Socket1155;

5.  объем кэш-памяти второго уровня (для каждого ядра): 256 Кб;

6.  объем кэш-памяти третьего уровня 3МБ;

7.  встроенный графический процессор (GPU - graphics processing unit);

8.  поддержка технологии EM64T.

 

Технология EM64T (она же Intel 64) разработана для выполнения 64-х разрядных приложений и позволяет компьютерным платформам получить доступ к гораздо большему объему памяти за счет использования встроенных компиляторов, математической библиотеки и средств анализа производительности.

 

Классификация процессоров по набору команд (системе команд).

Система команд – перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых процессором. Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в процессоре, и те категории данных, над которыми применимы эти процедуры. Понятие системы команд вплотную связано с архитектурой, разрядностью, адресностью и другими атрибутами процессора. От типа команд зависит классификационная группа процессора:

·     CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;

·     RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;

·     VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;

·     MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием.

 

Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было. Процессоры содержали десятки тысяч транзисторов.

Процессоры RISC были разработаны в 1986 году, когда технология суперскалярных конвейеров только начала развиваться. Процессоры содержали сотни тысяч транзисторов.

Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для CISC-процессоров, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) процессоры типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.

В конце 90-х наиболее совершенные процессоры уже содержат миллионы транзисторов. Например, процессоры архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов.

Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 – это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд – VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения.

Процессоры типа VLIW – весьма перспективный тип процессоров. Процессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta, Intel и Hewlett-Packard. Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и HP, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе. К VLIW-типу можно отнести и ожидавшийся в 2002 году процессор Elbrus 2000 – E2k, разработанный российской компанией «Эльбрус».

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-процессоров в команды VLIW.

Процессоры типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных процессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты процессоров и потребление энергии (эти процессоры иногда называют «холодными»).

 

Вопросы для самопроверки:

1.       Что значит «виртуальная машина»?

2.       Что понимается под архитектурой и микроархитектурой процессора?

3.       Как производительность процессора связана с тактовой частотой ядра?

4.       В чем состоит отличие процессоров Celeron от Pentium?

5.       Перечислите основные технические характеристики процессора.

6.       Для чего нужна кэш-память первого, второго и третьего уровня?

7.       Почему уменьшение размеров процессора сказывается на увеличении его производительности?

8.       Перечислите основные функции процессора.

9.       Какие типы систем команд процессора вы знаете?

10.  Опишите процесс выполнения команды процессором.

11.  Зачем нужны регистры?

12.  Зачем нужны прерывания?

 

Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:

1.       Перспективы развития архитектуры процессоров.

2.       Процессоры для портативных устройств.

3.       Процессоры для мобильных устройств.

4.       Процессоры со встроенной обработкой видео.

5.       Процессоры для техники (например, роботов).

6.       Основные направления увеличения производительности процессоров.

7.       Реализация механизма многозадачности в многоядерных процессорах.

8.       Процессоры для ПК компании Apple.

9.       Сравнительный анализ процессоров Intel и AMD.

10.  Язык программирования Assembler как средство низкоуровневого программирования.

11.  Система прерываний процессора архитектуры IA64.

12.  Системная шина HyperTransport.

 

Литература по теме:

 

Основная литература:

1.  Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. – М.: Маркет ДС, 2010 – 184 с. (Университетская серия).

 

Дополнительная литература:

1.  Вычислительная техника: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. – 608 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 3, п. 3.7 (стр. 272-277).

2.  Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. – М.: ФОРУМ, 2008. – 512 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.5 (стр. 447-456).

3.  Технология HyperTransport // http://www.xard.ru/post/13476.

4.  Большой тест процессоров. Часть 2: средний сегмент // http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/processors/29800.

5.  Процессоры Intel Core i5 для LGA1156 // http://www.ixbt.com/cpu/intel-ci5-1156.shtml.

 

Видеоролики:

1.  Как делаются процессоры // http://youtu.be/MPZiMYM2hfI.

2.  Тактовая частота микропроцессора // http://video.yandex.ru/users/sales-chip-dip-ru/view/980/#.

3.  Как собирают процессоры // http://youtu.be/ScQfvDyDC0g.

 

Практические задания

 

Задание 1.

Расставьте номера (1, 2, 3, 4) в порядке возрастания времени доступа к следующим устройствам:

·     Кеш-память.

·     Оперативная память.

·     Регистры процессора.

·     Память на внешних носителях.

 

Задание 2.

Дано описание процессора по прайс-листу:

Процессор AMD «Athlon II X2 B22» (2.80ГГц, 2x1024КБ, HT2000МГц) SocketAM3.

 

Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.

 

Задание 3.

Дано описание процессора по прайс-листу:

Процессор Intel «Core i5-660» (3.33ГГц, 2x256КБ+4МБ, EM64T, GPU) Socket1156.

 

Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.

 

Задание 4.

Дано описание процессора по прайс-листу:

Процессор Intel, Celeron 2600, Socket 478, 400МГц, 128Кб (BOX).

 

Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.