Особенности процессорных архитектур. Cisc и risc мархитектура. Их краткая характеристика
 Скачать 2.4 Mb.
|
16. Микропроцессор, общие понятия и определения, структурная схема микропроцессора. Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Составляющие микропроцессора. Основные составляющие микропроцессора: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры данных и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Регистры данных, обычно их шесть, являются внутренней памятью, каждый способен хранить одно слово. Для передачи данных между блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных. 1. Арифметико-логическое устройство Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для обработки данных. В зависимости от вида выполняемой операции АЛУ оперирует одним или двумя словами и в своем составе имеет: - четырехразрядные сумматоры – вычитатели; - логические элементы для выполнения операций: логического умножения, логического сложения, инверсии, исключающее ИЛИ и т.д.; - два входных порта, один выходной порт, которые являются буферными регистрами, способным хранить одно слово данных. Два входных порта позволяют АЛУ принимать данные с внутренней шины данных микропроцессора, или из аккумулятора (специального регистра). Выходной порт служит для пересылки данных в аккумулятор. Основные операции АЛУ: сложение, вычитание, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверсия, сдвиг вправо, сдвиг влево, приращение положительное, приращение отрицательное. АЛУ производятся в виде микросхем с числом разрядов: 4, 6, 8, 16. Чаще всего используются восьмиразрядные АЛУ, которые имеют 8 входов для первого слова, 8 входов для второго слова и 8 выходов, подключенных к восьми проводной шине. 2. Аккумулятор Аккумулятор служит для хранения слова данных, посланного в него из выходного порта АЛУ или извлеченного из памяти. Пример. Если АЛУ складывает два слова данных, одно находится в аккумуляторе. После выполнения сложения результат посылается в аккумулятор на хранение. Аккумулятор главный регистр микропроцессора. Большинство арифметических и логических операций выполняется с использованием АЛУ и аккумулятора. 3.Счетчик команд Счетчик команд это один из наиболее важных регистров микропроцессора. Как известно, программа - это последовательность команд, хранимых в памяти и предназначенных для того, чтобы инструктировать машину, как решать поставленную задачу. Для корректного выполнения последней команды должны поступать в строго определенном порядке. На счетчике команд лежит ответственность следить за тем, какая команда выполняется, а какая подлежит выполнению следующей. 4.Регистр адреса памяти При каждом обращении к памяти микро-ЭВМ регистр адреса памяти указывает адрес области памяти, которая подлежит использованию микропроцессором. Регистр адреса памяти содержит двоичное число - адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или в некоторых случаях для выбора порта ввода-вывода. В течение подцикла выборки команды из памяти регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое, т. е. регистр адреса памяти указывает местоположение команды, извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение. Что же касается регистра адреса памяти, то он приращения не получает. 5.Регистр команд Регистр команд предназначен исключительно для хранения текущей выполняемой команды, причем эта функция реализуется микропроцессором автоматически с началом цикла выборка-выполнение, называемого также машинным циклом. Как отмечалось выше, машинный цикл состоит из двух подциклов - выборки и выполнения. За исключением загрузки команды, в период подцикла выборки программист не может по-другому использовать регистр команд. Этот регистр соединен с внутренней шиной данных, однако он только принимает данные, посылать данные на шину он не может. Хотя функции регистра команд ограниченны, роль его в работе микропроцессора велика, поскольку выход этого регистра является частью дешифратора команд. 6 Регистр состояния Наличием регистра состояния подлинная вычислительная машина отличается от простого калькулятора. Указанный регистр предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в процессе выполнения программы. Разряды регистра состояния принимают то или иное значение при выполнении операций, использующих АЛУ и некоторые регистры. Запоминание результатов упомянутых проверок позволяет использовать программы, содержащие переходы (нарушения естественной последовательности выполнения команд). При наличии в программе перехода выполнение команд начинается с некоторой новой области памяти, т. е. счетчик команд загружается новым числом. В случае условного перехода такое действие имеет место, если результаты определенных проверок совпадают с ожидаемыми значениями. Указанные результаты находятся в регистре состояния. 7.Буферные регистры АЛУ На рис. показаны два буферных регистра, каждый из которых предназначен для временного хранения одного слова данных. Один из этих регистров называется буфером аккумулятора АЛУ. Что касается другого буферного регистра, то в него на временное хранение поступают данные с внутренней шины микропроцессора. Необходимость в таком регистре вызвана отсутствием в АЛУ своего запоминающего устройства. В состав АЛУ включены только комбинационные схемы, и поэтому при поступлении исходных данных на входе АЛУ немедленно появляются результирующие данные на его выходе как следствие выполнения операций данной программы. Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоединены к одной и той же точке схемы. 8.Регистры общего назначения Все микропроцессоры имеют шесть описанных выше основных регистров. В дополнение к ним некоторые микропроцессоры располагают другими регистрами, предоставляемыми в распоряжение пользователей. Эти регистры получили название регистров общего назначения, В некоторых микропроцессорах они служат в качестве запоминающих устройств, в других функциональные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора. Последнее достигается в том случае, если АЛУ может помещать в них данные. 9.Схемы управления Роль схем управления в микропроцессоре чрезвычайно важна и заключается в поддержании требуемой последовательности функционирования всех остальных его звеньев. По «распоряжению» схем управления очередная команда извлекается из регистра команд, определяется, что необходимо делать с данными, а затем генерируется последовательность действий по выполнению поставленной задачи. 10.Внутренняя шина данных микропроцессора Структурная схема микропроцессора показывает, что 8-разрядная внутренняя шина данных соединяет между собой АЛУ и регистры, осуществляя передачу данных внутри микропроцессора. Хотя сигналы управления и играют жизненно важную роль в процессе передачи данных по внутренней шине, тракт их передачи не принадлежит шине данных. Каждый функциональный блок микропроцессора всегда подключен к внутренней шине данных, однако воспользоваться ею может только после получения соответствующего сигнала от схем управления. Почти все функциональные узлы микропроцессора имеют двустороннюю связь с внутренней шиной данных, т. е. они могут и посылать данные на шину, и принимать с нее данные. Внутренняя шина данных представляет собой линию двусторонней связи. 17. Классы конфликтов возникающих в конвейерах и способы их устранения. 1.Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аппаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением. 2.Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды. 3.Конфликты по управлению, которые возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд. Структурные конфликты возникают в том случае, когда аппаратные средства процессора не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением. Причины структурных конфликтов. 1. Не полностью конвейерная структура процессора, при которой некоторые ступени отдельных команд выполняются более одного такта. Решение: A.увеличение времени такта до такой величины, которая позволила бы все этапы любой команды выполнять за один такт Б. использование таких аппаратных решений, которые позволили бы значительно снизить затраты времени на выполнение данного этапа (например, использовать матричные схемы умножения).. 2. Недостаточное дублирование некоторых ресурсов. Решение: Борьба с конфликтами такого рода проводится путем увеличения количества однотипных функциональных устройств, которые могут одновременно выполнять одни и те же или схожие функции. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Конфликты по управлению возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, изменяющих значение счетчика команд. Наиболее эффективным методом снижения потерь от конфликтов по управлению служит предсказание переходов. Суть данного метода заключается в том, что при выполнении команды условного перехода специальный блок процессора определяет наиболее вероятное направление перехода, не дожидаясь формирования признаков, на основании анализа которых этот переход реализуется. Процессор начинает выбирать из памяти и выполнять команды по предсказанной ветви программы (так называемое исполнение по предположению, или "спекулятивное" исполнение) Конфликты по данным возникают в случаях, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды. 1. Конфликты типа RAW (Read After Write): команда j пытается прочитать операнд прежде, чем команда i запишет на это место свой результат. При этом команда j может получить некорректное старое значение операнда. Уменьшение влияния конфликта типа RAW обеспечивается методом обхода (продвижения) данных. В этом случае результаты, полученные на выходах исполнительных устройств, помимо входов приемника результата передаются также на входы всех исполнительных устройств процессора. Если устройство управления обнаруживает, что данный результат требуется одной из последующих команд в качестве операнда, то он сразу же, параллельно с записью в приемник результата, передается на вход исполнительного устройства для использования следующей командой. 2. Конфликты типа WAR (Write After Read): команда j пытается записать результат в приемник, прежде чем он считается оттуда командой i, При этом команда i может получить некорректное новое значение операнда: Этот конфликт возникнет в случае, если команда j вследствие неупорядоченного выполнения завершится раньше, чем команда i прочитает старое содержимое регистра R2. 3. Конфликты типа WAW (Write After Write): команда j пытается записать результат в приемник, прежде чем в этот же приемник будет записан результат выполнения команды i, то есть запись заканчивается в неверном порядке, оставляя в приемнике результата значение, записанное командой i: Устранение конфликтов по данным типов WAR и WAW достигается путем отказа от неупорядоченного исполнения команд, но чаще всего путем введения буфера восстановления последовательности команд. 18 Дисковые массивы и уровни RAID. Дисковый массив — внешнее устройство хранения, состоящее из нескольких жестких дисков. В отличие от отсека для установки жёсткого диска в корпусе компьютера или специального конструктива для крепления одиночного диска, включающего в себя средства реализации физического и механического (соответствующие разъемы) интерфейса, и, при необходимости, крепежа внутри такого конструктива дискового накопителя иного формата, (например 3½" в конструктиве 5¼") — т. н. «кармана», представляет собой куда более сложную систему, состоящую из следующих компонентов: контроллеры, обладающие способностью виртуализации, и способные создавать RAID. Кэш-память. В зависимости от конструкции может быть на борту контроллера, так и отдельным конструктивом дискового массива. Блоки питания. Промышленные дисковые массивы имеют избыточное резервирование блоков питания. Отдельное резервное питание для контроллера и кэш-памяти. Средства охлаждения дисков и контроллеров, вентиляторы и т. д. Контроллеры доступа потребителей к дисковому пространству: FC, SCSI, Ethernet. Корзины для дисков. Блоками на несколько дисков или отдельные диски. Собственно сами диски. Какие бывают уровни RAID По сути, RAID это связка из нескольких дисковых накопителей, от конфигурации которых зависит скорость работы, безопасность сервера и размещенных на нем данных клиента. RAID 0 (Stripping) используют в случае, когда нужно существенно увеличить производительность работы дисковой подсистемы. Данный вид рейд массива хотя и не обеспечивает надежность хранения информации, но широко используется на компьютерных машинах. Суть работы – информация разбивается на блоки, каждый блок записывается на отдельный диск. Данный массив применяется там, где важна скорость передачи больших объемов информации. RAID 1 (Mirrored disk) – данный рейд с высоким уровнем надежности, при котором данные полностью дублируются. В этом случае два диска вмещают одинаковую информацию, при этом они являются одним логическим диском. Если один из дисков сломается, другой заменяет его, выполняя все функции. Данный рейд повышает скорость уровня чтения информации, потому что функция чтения может происходить одновременно с обеих дисков. RAID 2 – резервирование данных с помощью кода Хэмминга для коррекции ошибок. Данные, которые записываются, формируются на основе слов. Размер слова соответствует количеству дисков для записи информации в рейде. Данный вид массива дает возможность не только исправлять конкретные одиночные ошибки, но и выявлять двойные. Хотя сам по себе рейд является самым избыточным изо всех видов с кодами коррекции. RAID 2 редко используется по сравнению с другими, в связи с плохой обработкой большого количества запросов. RAID 3 – массив отказоустойчивости, который имеет один дополнительный диск, на него записываются данные, к тому же осуществляется параллельный ввод/вывод. Однако, данный рейд менее избыточен по сравнению с предыдущим и имеет высокую производительность. Достоинство RAID 3 – быстрое восстановление информации в случае сбоев на сервере. RAID 4 в некоторых моментах схож с RAID 3, но данный рейд имеет большой размер блока записываемых данных. Массив повышает производительность передачи файлов малого объема. Недостаток: не обеспечивается высокая скорость передачи больших файлов, сложность восстановления информации при сбои сервера. Данный массив хорошое решение для файловых серверов, так как информация в них считывается и намного реже записывается. Наиболее распространенный массив RAID 5, для работы которого нужно три и больше дисков. Он использует все диски кроме одного, например, если есть 4 диска, то используются по объему 3. Данный вид массива считается самым экономным. В отличии от RAID 3 имеет большой объем логических блоков для хранения данных, а также позволяет проводить параллельные операции записи. Если из строя выходит один из дисков, данные не теряются, но его следует заменить. Данный рейд используют для многого количества задач, производительность повышают с добавлением дополнительных дисков. RAID 6 — похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надёжности — два диска данных и два диска контроля чётности. Основан на кодах Рида — Соломона и обеспечивает работоспособность после одновременного выхода из строя любых двух дисков. Обычно использование RAID-6 вызывает примерно 10-15 % падение производительности дисковой группы, относительно RAID 5, что вызвано бо́льшим объёмом работы для контроллера (более сложный алгоритм расчёта контрольных сумм), а также необходимостью читать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи каждого блока RAID 10 (1+0) – пример комбинации уровней, который соединил в себе достоинства RAID 1 и RAID 0. По сути, это несколько RAID 0, которые дублируются. Данный массив более шустрый и отказоустойчивый, но все равно требует большей избыточности. Весомый минус массива – высокая стоимость. RAID 50 – комбинация нескольких RAID 5, которые чередуются. Довольно экономичное решение, которое подойдет для средних и больших компаний, массив имеет повышенный параметр отказоустойчивости. Hybrid RAID – сочетание нескольких обычных уровней RAID, но с использованием дополнительного ПО и SSD дисков, которые используют как кэш для чтения данных. Данная система значительно повышает производительность, благодаря ССД, которые отличаются лучшими характеристиками скорости . Замечательно подходит данный массив для файловых серверов и виртуальных вычислительных машин. |