Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (НАЗНАЧЕНИЯ И ФУНКЦИИ ПРОЦЕССОРА).pdf

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро- аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы предаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения, такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их производимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро - аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций. Отличительная черта аналоговых микопроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т.е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерывания и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро - аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого - цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре. Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большего объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

---

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем разливают микроЭВМ одномагистральные и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают однопрограммные и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

Так же различают микропроцессору по типу параллелизма операндов: скалярные МП, векторные МП и МП с набором типа SIMD. В скалярных микропроцессорах операнды инструкций являются скалярами, один операнд - одно число. В векторных микропроцессорах операндом является вектор, то есть набор чисел. Как правило, это математические микропроцессоры, предназначенные для векторных и матричных операций. МП с набором инструкций типа SIMD (Single Instruction Multiple Data: одна инструкция - много данных) можно было бы отнести к векторным МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным. В настоящее время практически все фирмы - изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это:MMX(Intel), AltiVec(PoverPC), MDMX (MIPS), MAX-2(HP), VIS (SPARC), MVI(Alpha) и др. Причем часто такие технологии называют SWAR (SIMD Within a Register - SIMD внури регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как:

---

- упаковка/распаковка звука, видео и изображений;

- протоколы передачи данных;

- шифрование;

- построение реалистических изображений в реальном времени;

- распознавание речи и образов;

- нейронные сети;

По типу параллелизма работы микропроцессора различают на суперскалярные МП, мультискалярные МП и VLIW МП. Суперскалярные МП - рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах. Мультискалярные МП получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами. VLIW МП являются неким промежуточным звеном между суперскалярными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполнятся одновременно.

По объему набора инструкций микропроцессоры делятся на классические процессоры CISC, на процессоры RISC с сокращенным набором команд, на процессоры MISC с минимальным набором команд, на процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.

CISC (Comlpex instruction set computer) - это процессоры со сложным набором команд . Архитектура CISC характеризуется:

- сложными и многоплановыми инструкциями;

- большим набором различных инструкций;

- не фиксированной длиной инструкций;

- многообразием режимов адресации.

Исторически процессоры с архитектурой CISC появились первыми, и их появление было обусловлено общей тенденцией разработки первых ЭВМ. ЭВМ стремились сделать более функциональными и в то же время простыми для программирования. Естественно, для программистов вначале было удобнее иметь широкий набор команд, чем реализовывать каждую функцию целой отдельной подпрограммой. В результате объем программ сильно сокращался, а вместе с ним и трудоемкость программирования. С появлением языков высокого уровня отпала необходимость непосредственного программирования в машинных кодах и на ассамблере, и, во-вторых, со временем количество различных команд сильно выросло, а сами инструкции усложнились. В результате большинство программистов, в основном использовали какой-то определенный набор инструкций практически игнорируя наиболее сложные инструкции. В результате программисты уже не имели особой выгоды от широкого набора инструкций, так как компиляция программ стала автоматической, а сами процессоры обрабатывали сложные и разнообразные инструкции медленно, в основном из-за проблем с их декодированием. К тому же новые сложные инструкции разработчики процессоров отлаживали меньше, так как это был трудоемкий и сложный процесс. В результате некоторые из них могли содержать ошибки. Ну и, естественно, чем сложнее инструкции, чем больше действий они выполняют. тем сложнее их выполнение распараллелировать, и, соответственно, тем менее эффективно они загружают конвейер процессора. Однако к этому моменту уже было разработано огромное количество программ для процессоров с CISC архитектурой, поэтому экономически было невыгодно переходить на принципиально новую архитектуру, даже дающую выигрыш в производительности процессора. Поэтому был принят компромисс, и CISC процессоры, начиная с Intel486DX, стали производить с использованием RISC - ядра. Т.Е., непосредственно перед использованием, сложные CISC - инструкции преобразуют в более простой набор внутренних инструкций RISC. Для этого используют записанные в размещенном внутри ядра процессора ПЗУ наборы микрокоманд - серии простых инструкций, в совокупности выполняющих те ж действия, что и одна сложная инструкция.

---

RISC (Reduced Instruction SEt Computer) - процессоры с сокращенным набором инструкций. В концепции RISC - процессоров предпочтение отдается коротким, простым и стандартизированным инструкциям. В результате такие инструкции проще декодировать и выполнять, а, следовательно, устройство процессора становится так же проще, так как не требуется сложных блоков для выполнения нестандартных и многофункциональных инструкций. В результате процессор становится дешевле, и появляется возможность дополнительно поднять его тактовую частоту, за счет упрощения внутренней структуры и уменьшения количества транзисторов, или снизить энергопотребление. Так же простые RISC - инструкции гораздо проще распараллеливать, чем CISC - инструкции, а следовательно, появляется возможность больше загрузить конвейер, ввести дополнительные блоки обработки инструкций и т.д.

Процессоры, построенные по архитектуре RISC, обладают следующими особенностями:

- фиксированная длина инструкций;

- небольшой набор стандартизированных инструкций;

- большое количество регистров общего назначения;

- отсутствие микрокода;

- меньшее энергопотребление, по сравнению с CISC - процессорами аналогичной производительности;

- более простое внутреннее устройство;

- меньшее количество транзисторов, по сравнению с CISC - процессорами аналогичной производительности;

- отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

В результате, хотя RISC - процессоры и требует выполнения большего количества инструкций для решения одной и той же задачи, по сравнению с CISC - процессорами, они в общем случае показывают более высокую производительность. Во - первых, выполнение одной RISC - инструкции занимает гораздо меньше времени, чем выполнение CISC - инструкции. Во - вторых, RISC - процессоры более широко используют возможности параллельной работы. В - третьих RISC - процессоры могут иметь более высокую тактовую частоту, по сравнению с CISC - процессорами. Однако несмотря на явное преимущество RISC, процессоры не получили столь серьезного распространения как CISC. Правда, связано это в основном не с тем, что они по каким - то параметрам могли быть хуже CISC - процессоров. Они не хуже, Дело в том, что CISC - процессоры появились первыми, а программное обеспечение для CISC - процессоров - не совместимо с RISC - процессорами. В результате экономически крайне невыгодно переписывать все программы, которые уже разработаны, отлажены и используются огромным количеством пользователей. Вот так и получилось, что теперь приходится использовать CISC - процессоры. Правда, разработчиками было найдено компромиссное решение данной проблемы, и уже очень давно в CISC - процессорах используют RISC - ядро, и замену сложных команд на микропрограммы. Это позволило несколько сгладить ситуацию. Но все же RISC - процессоры по большинству параметров выигрывают даже у CISC - процессоров с RISC - ядром.

---

MISC (Minimal Instruction Set Computer) - дальнейшее развитие архитектуры RISC, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC - процессорах используется 20-30 простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных.

VLIW (Very long instruction word)  - архитектура процессоров, использующая инструкции большой длинны, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки. В некоторых реализациях процессоров длина инструкций может достигать 128 или даже 156 бит. Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом. Если в процессорах RISC организацией параллельной обработки данных занимался сам процессор, при этом, затрачивая часть ресурсов на анализ инструкций, выявление зависимостей и предсказание условных переходов ( причем зачастую процессор мог ошибаться, например, в предсказании условных переходов, тем самым внося серьезные задержи в обработку инструкций, или просматривать код программы на недостаточную глубину для выявления независимых операций, которые могли бы выполняться параллельно), то в VLIW - процессорах задача оптимизации параллельной работы возлагалась на компилятор, который не был ограничен ни во времени, ни в ресурсах и мог проанализировать всю программу для составления оптимального для работы процессора кода. В результате процессор VLIW выигрывал не только от упразднения накладных расходов на организации параллельной обработки данных, но и получал прирост производительности, из-за более оптимальной организации параллельного выполнения инструкций. Кроме этого, упрощалась конструкция процессора, так как упрощались или вовсе упразднялись некоторые блоки, отвечающие за анализ зависимостей и организацию распараллеливания обработки инструкций, а это, в свою очередь, вело к снижению энергопотребления и себестоимости процессоров. Однако даже компилятору тяжело справятся с анализом кода и организацией его распараллеливания. Часто код программы был сильно взаимозависимый, и в результате в инструкции компилятору приходилось вставлять пустые команды. Из-за этого программы для VLIW - процессоров могли быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

С изобретения интегральной схемы и появления в 1964 году ЭВМ третьего поколения начался долгий путь от больших ЭВМ, используемых в научно-исследовательских институтах, к персональному компьютеру. Решающую роль в появлении персональных компьютеров сыграло изобретение в 1971 году микропроцессора, который смог воспроизводить в одной микросхеме все функции процессора большой ЭВМ.

---