Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 1686
Скачиваний: 62
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АРХИТЕКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
.1 Основные понятия и принцип работы процессора
Глава 2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
.1 Эволюция архитектуры процессоров
.2 Эволюция развития микропроцессоров Intel
2.3 Основные направления развития архитектуры универсальных микропроцессоров
Примечания: ФТ*- числа с фиксированной точкой, ПТ**- числа с плавающей точкойОстановимся вкратце на их рассмотрении.К основным нововведениям микропроцессора i486, выпущенного в 1989 году, относятся два, которые связаны с расширившимися технологическими возможностями. Это размещение непосредственно на кристалле БИС двух важных блоков, которые раньше выполнялись в виде отдельных микросхем: кэш-памяти и блока процессора обработки чисел с плавающей точкой (floating point unit - FPU). Кэш-память имела объем 8Кбайт и предназначалась для хранения программ и данных. FPU имел внутренний файл из восьми 80-разрядных регистров, свой регистр состояния и управления.Главной отличительной чертой нового продукта в линейке 32-разрядных микропроцессоров - МП Pentium - явилась возможность конвейерной обработки информации. Хотя некоторые авторы считают, что конвейер появился уже в i486, это не является общепринятым мнением.Высокая скорость выполнения команд в МП Pentium достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных. Появление конвейера обусловило необходимость введения еще одного блока - схемы предсказания переходов. Эффективная работа данной схемы чрезвычайно важна для повышения производительности микропроцессора. Все последующие модификации микропроцессоров непременно связаны с улучшением ее работы.Основным нововведением разработанного в 1997 году микропроцессора Pentium MMX стал блок, обеспечивавший новую схему обработки целочисленной информации - SIMD (Single Instruction - Multiple Data: одна команда - множество данных). До этого обработка велась по классической схеме SISD: каждая команда выполняла действия над своей парой операндов. Введение SIMD-операций позволило обрабатывать одновременно несколько операндов с использованием одной команды, что дало возможность существенно поднять производительность микропроцессора на тех задачах
В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, представленные в таблице 2.Таблица 2. Основные направления повышения производительности МП
Рассмотрим эти направления подробнее.Направление CMP обеспечивается возросшими технологическими возможностями, которые позволяют создать на одном кристалле несколько микропроцессоров и организовать их работу по принципу мультипроцессорных систем [4].Производители чипов уже не гонятся за частотой, сместив акцент на многоядерную архитектуру, которая позволяет наращивать производительность, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение.При таком подходе задача повышения производительности работы отдельных приложений требует распараллеливания последних, то есть проблема перемещается с аппаратного на программный уровень. На данный момент сложности заключаются в том, что большая часть существующего программного обеспечения создавалась без расчета на использование в многоядерных и многопроцессорных конфигурациях. Другими словами, прогресс в области аппаратных средств на какое-то время опередил прогресс в области программного обеспечения.
-ядерный процессор от фирмы INTel PolarisМикропроцессор построен по технологии 65 нм из 100 млн транзисторов на кристалле площадью 275 мм2. Для сравнения: двухъядерный Intel Core 2 ExTReme, также с технологическими нормами 65 нм, содержит 291 млн транзисторов на площади 143 мм2. Разница обусловлена малым количеством памяти на кристалле нового МП и доминированием логических схем и схем ввода-вывода, размер которых трудно минимизировать. Большое внимание в нем уделено новому показателю, который занимает все более главенствующее положение, - производительность/ватт. По этому показателю Polaris обеспечивает чрезвычайную энергоэффективность: 16 гигафлопс/Вт. Процессор работает при напряжении питания 0,95 В.Согласно заявлению представителей Intel, достигнутые показатели отнюдь не являются предельными. Инженеры компании могут значительно увеличить производительность процессора за счет увеличения его тактовой частоты. Так, например, на частоте 5,1 ГГц процессор демонстрирует 1,63 терафлопс, а на частоте 5,7 ГГц - 1,81 терафлопс. Однако с ростом тактовой частоты растет и потребляемая мощность, составляя при вышеуказанных режимах работы 175 и 265 ватт соответственно.представляет собой 80 одинаковых процессорных элементов, каждый из которых состоит из вычислителя и маршрутизатора на 6 портов. Вычислитель содержит 2 устройства для операций умножения с накоплением (FP MultIPle-Accumulator, FPMAC), 3 Кбайт памяти команд и 2Кбайт памяти данных, набор 32-разрядных регистров и оперирует 96-разрядными сверхдлинными словами команд (Very Long INsTRuction Word -VLIW). Планирование и параллельное выполнение команд возлагается на компилятор (архитектура EPIC, аналогичная реализованной разработчиками Intel и в процессоре Itanium). Она позволяет процессору исполнять до восьми команд за один такт. По своему набору инструкций новый микропроцессор несовместим с x86.Эффективность многоядерных процессоров во многом определяется пропускной способностью памяти системы. Применение многоканальных шин памяти и повышение их частоты сопряжено с чрезмерным усложнением контроллеров. Другой путь уменьшения задержки - ввести еще один уровень иерархии кэш-памяти. Однако это приведет к неоправданному увеличению памяти на кристалле, площадь которого эффективнее использовать для вычислительной логики. Несколько мегабайт дополнительной кэш-памяти занимают площадь
, где над большими массивами однородной информации выполнялись одинаковые операции, например, в мультимедий ных приложениях. Появление таких возможностей потребовало введения в систему команд 57 новых инструкций, но регистровая структура микропроцессора не изменилась.
Микропроцессор Pentium III, появившийся в 1999 году, позволил обрабатывать по схеме SIMD не только целочисленные операнды, но и числа с плавающей точкой. Для этого система команд была расширена на 70 инструкций, а в структуре микропроцессора появился специальный блок SSE, содержащий, в частности, отдельный регистровый файл из восьми 128-разрядных регистров. Еще одной новинкой, использованной в Pentium III, было размещение на кристалле кэш-памяти второго уровня (начиная с ядра Coppermine), работающей на частоте ядра. Но это носило скорее количественный характер и не внесло существенных изменений в архитектуру.
Микропроцессор Pentium 4 завершает линейку 32-разрядных микропроцессоров. Основным вкладом этого микропроцессора в развитие архитектуры IA-32 стало еще большее увеличение глубины конвейера - до 31 стадии, что позволило сильно нарастить частоту процессора. Количество конвейеров возросло до 9. Кроме поддержки ставших традиционными инструкций MMX и SSE, в Pentium 4 добавили еще 144 команды SSE2, затем и SSE3, ориентированные в первую очередь на работу с потоковыми данными.
В 2001 году фирмой Intel был выпущен микропроцессор Itanium, положивший начало новой 64-разрядной архитектуре - IA-64, которая сменила архитектуру 32-разрядных микропроцессоров IA-32, господствовавшую на протяжении более 15 лет.
2.3 Основные направления развития архитектуры универсальных микропроцессоров
процессор центральный архитектура цифровойРазвитие микропроцессорной техники в области универсальных микропроцессоров идет по пути постоянного повышения их производительности. Традиционными направлениями такого развития являются повышение тактовой частоты работы МП и увеличение количества одновременно выполняемых команд за счет увеличения числа конвейеров (исполнительных устройств) в МП.Однако оба эти направления следует признать экстенсивными, имеющими естественные ограничения.Повышение тактовой частоты, которое в основном обеспечивается путем увеличения количества ступеней в конвейере, приводит к большим потерям времени при необходимости перезагрузки конвейера вследствие конфликтов по управлению или при переключении на новую задачу. Такое увеличение имеет также и физические ограничения, связанные со схемотехникой кристалла БИС. Ограничения определяются также влиянием накладных расходов при передаче частично обработанной команды на следующую ступень конвейера. На больших частотах эти расходы становятся соизмеримыми с длительностью обработки на очередном этапе. Во многом это направление исчерпало себя в микропроцессоре Pentium 4, работающем на частотах, близких к 4 ГГц.Повышение производительности за счет увеличения числа конвейеров в микропроцессоре можно оценить увеличением числа команд, выполняемых программами за такт (IPC - INsTRuctions Per Cycle). Так, для МП Alpha 21264 этот показатель равен 6, столько же микроопераций за такт может выдать Pentium 4. Но это предельные значения, а реальные программные коды, в частности, из-за различных взаимозависимостей, дают гораздо более низкое значение IPC. Дальнейшее увеличение числа исполнительных устройств ведет к усложнению расположенного в БИС устройства управления, распределяющего команды по конвейерам, а также к сложным взаимозависимостям между данными. К тому же реальные коды программ не позволяют обеспечить эффективную загрузку всех имеющихся в МП исполнительных устройств, что приводит к их простоям. Следует отметить также, что рост производительности микропроцессора не является прямо пропорциональным росту количества конвейеров, а обычно существенно ниже.В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, представленные в таблице 2.Таблица 2. Основные направления повышения производительности МП
| Направление повышения производительности | Принцип | Класс решаемых задач | Примеры |
| CMP (Chip Multi ProcessINg) | Создание на одном кристалле системы из нескольких микропроцессоров (многоядерность); | Мультимедийные задачи- обработка видеозаписей, работы с большими базами данных, одновременное выполнение нескольких ресурсоемких заданий, например, компьютерной игры, записи DVD и загрузки файлов из Интернета. | 1.Компания Tilera ( 2007) - процессор Tile64 - 64 ядра. В 2010 году 120-ядерная модификация процессора Tile. 2. 80-ядерный процессор от фирмы INTel |
| SMT (Simultaneous MultiThreadINg) | Многонитевая архитектура; | Распараллеливание процессов, выполняемых задач, в целях разгрузки МП | Sun Microsystems - процессор ULTRaSPARC T2 (Тактовая частота от 900 МГц до 1,4 ГГц). |
| EPIC (Explicitly Parallel INsTRuction ComputINg) | Вычисления с явным параллелизмом в командах | Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. | Микропроцессор Itanium фирмы Intel. |
-ядерный процессор от фирмы INTel PolarisМикропроцессор построен по технологии 65 нм из 100 млн транзисторов на кристалле площадью 275 мм2. Для сравнения: двухъядерный Intel Core 2 ExTReme, также с технологическими нормами 65 нм, содержит 291 млн транзисторов на площади 143 мм2. Разница обусловлена малым количеством памяти на кристалле нового МП и доминированием логических схем и схем ввода-вывода, размер которых трудно минимизировать. Большое внимание в нем уделено новому показателю, который занимает все более главенствующее положение, - производительность/ватт. По этому показателю Polaris обеспечивает чрезвычайную энергоэффективность: 16 гигафлопс/Вт. Процессор работает при напряжении питания 0,95 В.Согласно заявлению представителей Intel, достигнутые показатели отнюдь не являются предельными. Инженеры компании могут значительно увеличить производительность процессора за счет увеличения его тактовой частоты. Так, например, на частоте 5,1 ГГц процессор демонстрирует 1,63 терафлопс, а на частоте 5,7 ГГц - 1,81 терафлопс. Однако с ростом тактовой частоты растет и потребляемая мощность, составляя при вышеуказанных режимах работы 175 и 265 ватт соответственно.представляет собой 80 одинаковых процессорных элементов, каждый из которых состоит из вычислителя и маршрутизатора на 6 портов. Вычислитель содержит 2 устройства для операций умножения с накоплением (FP MultIPle-Accumulator, FPMAC), 3 Кбайт памяти команд и 2Кбайт памяти данных, набор 32-разрядных регистров и оперирует 96-разрядными сверхдлинными словами команд (Very Long INsTRuction Word -VLIW). Планирование и параллельное выполнение команд возлагается на компилятор (архитектура EPIC, аналогичная реализованной разработчиками Intel и в процессоре Itanium). Она позволяет процессору исполнять до восьми команд за один такт. По своему набору инструкций новый микропроцессор несовместим с x86.Эффективность многоядерных процессоров во многом определяется пропускной способностью памяти системы. Применение многоканальных шин памяти и повышение их частоты сопряжено с чрезмерным усложнением контроллеров. Другой путь уменьшения задержки - ввести еще один уровень иерархии кэш-памяти. Однако это приведет к неоправданному увеличению памяти на кристалле, площадь которого эффективнее использовать для вычислительной логики. Несколько мегабайт дополнительной кэш-памяти занимают площадь