Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
Лекция 6. Центральный процессор компьютера.
Основу центрального процессора ПК составляет микропроцессор (МП) – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВНУ и для управления ходом вычислительного процесса.
Существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой, исполнением.
Микропроцессоры можно классифицировать по следующим признакам:
– назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);
– количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битные и др.);
– технология изготовления (0.5 мкм – технология; 0.35 мкм; 0.25 мкм; 0.18 мкм; 0.13мкм; 0.07 мкм и т.д.)
Фирма Intel создала первый микропроцессор в 1971 году, этот процессор, работавший с 4-разрядными данными, фактически представлял собой микрокалькулятор.
В 1974 году был разработан микропроцессор 8080, работавший с 8-разрядными машинными словами и памятью до 64 Кбайт – это уже был настоящий центральный процессор универсальной ЭВМ, хотя и достаточно простой.
В 1978 году Intel представила микропроцессор нового поколения – 16-разрядный процессор 8086 с адресуемой памятью до 1 Мбайт и с 16-разрядной шиной. В 1979 году появилась его разновидность – микропроцессор 8088, который также работал с 16-разрядными словами, но использовал 8-разрядную шину, что позволило воспользоваться имевшимися в то время внешними устройствами (дисководами) с 8-разрядными соединениями. На базе этого процессора фирма IBM в 1981 году создала свой первый ПК под названием IBM PC.
В 1982 году Intel разработала микропроцессор 80186, но он практически не использовался, т.к. в том же году появился более совершенный микропроцессор 80286. На его основе IBM в 1984 г. построила свой очередной ПК – IBM PC/AT. В процессоре 80286 были предусмотрены аппаратные средства для реализации многозадачного режима работы ЭВМ. Но в целом возможности этого процессора оказались недостаточными для использования этого режима, поэтому фактически, он представлял собой более быстрый вариант процессора 8088.
Массовое распространение и открытость архитектуры ПК привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами, а также энтузиастами-одиночками. Технический прогресс немыслим без развития процессоров, но с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для ПК уже тогда стал реализовываться принцип обратной программной совместимости. Все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру.
Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386. Разрядность шины данных и внутренних регистров достигла 32 бит, адресуемая физическая память - 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены режим виртуального процессора 8086 и страничное управление памятью.
С этого времени стала заметна тенденция «положительной обратной связи»: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре. Появляется более производительный процессор, но после непродолжительных восторгов и его ресурсы быстро признаются недостаточными, затем история повторяется.
Процессор i80486 появился в 1989 г. От предыдущего процессора отличается размещением на кристалле первичного КЭШа и встроенного математического сопроцессора (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры). Кроме того, для повышения производительности, начиная с 486 модели в CISC-процессоре стало применятся RISC-ядро.
В 1993 году появились первые 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных, которые получили название Pentium. От 486 процессора он отличался способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций. Интерес к процессору сдерживался его очень высокой ценой, кроме того процессор содержал ошибку. Хотя фирма Intel математически обосновала невысокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), фирма пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на новые, исправленные.
Параллельно с Pentium развивался процессор Pentium Pro, который отличался динамическим исполнением, направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций.
В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессор Pentium MMX. Технология MMX призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений.
В мае 1997 года появился процессор PENTIUM II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой тактовой частотой, в которое ввели поддержку MMX. На базе Pentium II в 1998 г. появилось семейство «облегченных» процессоров Celeron.
Появившиеся в 1999 году процессоры Pentium III, являются дальнейшим развитием Pentium II.
В 2000 году Intel начал выпускать процессоры под названием Pentium IV. Процессор Intel Pentium IV ,был специально разработан для достижения максимальной производительности при воспроизведении цифровой музыки, в трехмерных играх, в приложениях для обработки цифровых изображений и видео и т.д.
Процессоры Intel Core являются преемниками процессоров предыдущего поколения, представленных моделями Pentium и Celeron, они появились в 2006 году. В июне 2009 компания Intel объявила об упразднении многообразия вариантов данной торговой марки (например, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme) в пользу трёх ключевых наименований: Core i3, Core i5 и Core i7.
В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры фирмы Intel. Крупнейшими производителями аналогов микропроцессорам Intel (клонов) являются фирмы Cyrix и AMD, кроме того, микропроцессоры для персональных ЭВМ выпускают IBM, Motorola, Compaq, Sun Microsystems Inc. и др. Микропроцессоры для персональных компьютеров – однокристальные, тогда как для серверов, суперсерверов и суперЭВМ выпускаются микропроцессоры, размещенные на нескольких кристаллах.
Процесс обработки любой машинной команды может быть разбит на несколько стадий, например:
Устройство, где команда выполняется постадийно, получило название конвейер.
Таким образом, одновременно на разных стадиях может выполняться до пяти команд. Когда очередная команда завершает действия на одной стадии, например F, и переходит на следующую – D, то оборудование стадии F простаивает и может быть использовано для чтения следующей команды. Очевидно что, очередная команда может начинать выполнение, не дожидаясь выполнения предыдущей команды.
Очередная команда может перейти с одной стадии на другую при выполнении двух условий:
При условии, что каждая стадия выполняется в любой команде одинаковое количество времени, конвейер работает идеально, и одновременно всегда выполняются пять команд.
Микропроцессоры для персональных компьютеров изначально относились к так называемым CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing) с полной системой команд, насчитывающей до 250 команд.
Для процессоров CISC – архитектуры такая идеальная ситуация складывается не всегда.
Например, команда, извлекаемая из памяти на стадии F, может иметь разную длину и, следовательно, извлекаться из памяти за разное число машинных циклов. Или, на стадии E время выполнения операции зависит не только от типа операции (к числу коротких можно отнести сложение, логические операции, к длинным – умножение и деление), но даже иногда и от значений операндов.
Таким образом, можно сказать, что конвейеры процессоров с классической CISC – архитектурой редко работают на полную мощность, находясь значительную часть времени в ожидании завершения «длинных» операций.
Среди МП для серверов и мощных приложений прочное место завоевали RISC-процессоры (Reduce Instruction Set Computing) с сокращенной системой команд. Система команд таких МП содержит ограниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого упрощаются схемы управления микропроцессором и сокращаются его размеры. На кристалле МП (чипе) освобождается место, которое используется для размещения кэш-памяти большого объема. Наличие такой памяти внутри чипа позволяет сократить количество обращений к основной памяти, а это приводит к повышению быстродействия ЭВМ в 2-10 раз, так как обращение к кэш-памяти, расположенной внутри чипа, требует меньших затрат времени. Для повышения производительности RISC-процессоры обычно работают с машинными словами очень большой длины (не менее 64 бит).
К особенностям RISC – архитектуры можно отнести:
1. форматы всех команд имеют одинаковую длину;
2. все операции выполняются за одинаковый промежуток времени;
3. операнды всех арифметических и логических операций располагаются только в регистрах, к оперативной памяти обращаются только команды загрузки и сохранения.
Реализация этих особенностей позволила приблизить работу конвейера к идеальной, но при этом ограничила возможности систем команд процессора, что привело к значительному увеличению длины программ, увеличению времени выборки команд из памяти и т.д.
В настоящее время понятия RISC – и CISC – архитектура являются обозначением некоторых принципов проектирования, но не характеристиками конкретных процессоров. Современные процессоры, как правило, реализованы по гибридному принципу: содержат ядро RISC, которое выполняет простые и самые распространенные команды за один такт на стадию конвейера. При этом пользователь имеет дело с системой команд привычной CISC – архитектуры и внутренние вопросы реализации командного цикла его, как правило, не интересуют.
Если один конвейер существенно ускоряет процесс выполнения команд, то вероятно можно построить два конвейера и ставить на них одновременно пару команд программы. Процессор Pentium имел два 5-уровневых конвейера, которые могли работать одновременно и выполнять две команды за один машинный такт. Однако в этом случае имеются и ограничивающие условия. Например, нельзя ставить на разные конвейеры две последовательные команды, если вторая использует в качестве операнда результат работы первой.
Производительность 2-ух конвейерного процессора превышает производительность одноконвейерного, но не в два раза.
Следующим шагом на пути увеличения производительности процессора было решение, которое называется динамический параллелелизм. Процессоры, реализующие этот принцип, называются суперскалярными.
Пусть имеется следующий фрагмент программы:
MOV R1, R4
ADD R1, @R0
MOV R5, R6
SUB R5, R7
CLR R6
Здесь вторая команда использует в качестве операнда содержимое ячейки памяти, следовательно, попав на конвейер, она будет тормозить его на стадии A. Три следующие команды никак не связаны с результатом работы второй команды и могли бы выполниться еще до завершения предыдущей команды, однако тогда пришлось бы изменить порядок выполнения команд, определенных программой, чего конвейер не предусматривает.
Суперскалярная архитектура предполагает, что команды могут выполняться не только в порядке размещения их в программе. Возможность выполнения определяется, во-первых, отсутствием зависимостей от ранее расположенных, но еще не завершенных команд, во-вторых, наличием свободных ресурсов процессора, необходимых для выполнения команды.
Одним из первых процессоров, реализующих механизм динамического параллелелизма, был процессор Pentium Pro (Pentium II).