Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 651
Скачиваний: 37
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
, достаточную для 10 процессорных ядер. Такой подход обеспечит широкий доступ ядер процессора к памяти. Каждый слой будет содержать до 256 Мбайт.
Другой фактор, ограничивающий производительность современных компьютеров, - пропускная способность процессорной шины. Разделяемые шины уже уступают свое место соединениям типа «точка-точка».
Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП [4].
Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10 % площади кристалла.
Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) - очень длинного командного слова [3].
Особенности архитектуры EPIC [4]:
Явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами проводит не процессор, а компилятор.
Большое количество регистров.
Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств (АЛУ, FPU, MMX, SSE и т. п.).
Применение предикатов. Предикатный подход исходит из предпосылки, что возросшие мощности микропроцессоров позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом) (рис. 5) [3]. По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в приемник до определения правильности направления перехода.
Рис. 5. Предикатное исполнение команд
Отметим основные достоинства этого подхода:
Упрощается архитектура процессора. Вместо логики распараллеливания на EPIC-процессоре можно разместить больше регистров, функциональных устройств и т. п.
Процессор не тратит время на анализ потока команд.
Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы.
Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.
Однако архитектуре EPIC присущ и ряд недостатков:
Компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется.
Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом.
Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее.
Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого компьютера. Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память.
В курсовой работе даны определения микропроцессора и микропроцессорной системы, принципы и устройства микропроцессора. Приведена классификация микропроцессоров по их архитектуре, представлены параметры, которые характеризуют микропроцессоры каждого класса как вычислительное устройство и как электронное изделие. Описаны структура и основные блоки микропроцессора i486, являющегося базовым микропроцессором для этой архитектуры. В работе также были рассмотрены классические направления повышения производительности микропроцессоров, показаны их ограничения. Представлены современные пути развития универсальных микропроцессоров.
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.
Таким образом, поставленные задачи решены, цель достигнута.
1. Богданов А.В., Корхов В.В., Мареев В.В., Станкова Е.Н.Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 176 с.:ил.
2. Горюнов А.Г. Ливенцов С.Н. Микропроцессоры: Учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 89 с.
. Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 273 с.:ил.
. Гуров В.В. Компоненты и архитектура компьютеров: конспект лекций, 2008.- 104 с.
. Информатика: Базовый курс / С. В. Симонович и др. - СПб.: Питер, 2003. - 640 с.: ил.
. Микропроцессоры: В 3-х кн. / Под ред. Преснухина. М.: Высшая школа, 1986. Кн.1. 495 с. Кн. 2. 383 с. Кн. 3. 351 с.
. Нестеров П. В. Микропроцессоры.- М.: Высшая школа, 1984. -104 с.
. Новиков Ю.В. , Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 368 с.:ил.
. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 344 с.:ил.
. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. (+CD). - СПб.: Питер, 2007. - 844 с: ил.
Другой фактор, ограничивающий производительность современных компьютеров, - пропускная способность процессорной шины. Разделяемые шины уже уступают свое место соединениям типа «точка-точка».
Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП [4].
Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10 % площади кристалла.
Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) - очень длинного командного слова [3].
Особенности архитектуры EPIC [4]:
Явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами проводит не процессор, а компилятор.
Большое количество регистров.
Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств (АЛУ, FPU, MMX, SSE и т. п.).
Применение предикатов. Предикатный подход исходит из предпосылки, что возросшие мощности микропроцессоров позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом) (рис. 5) [3]. По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в приемник до определения правильности направления перехода.
Рис. 5. Предикатное исполнение команд
Отметим основные достоинства этого подхода:
Упрощается архитектура процессора. Вместо логики распараллеливания на EPIC-процессоре можно разместить больше регистров, функциональных устройств и т. п.
Процессор не тратит время на анализ потока команд.
Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы.
Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.
Однако архитектуре EPIC присущ и ряд недостатков:
Компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется.
Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом.
Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее.
Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого компьютера. Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память.
В курсовой работе даны определения микропроцессора и микропроцессорной системы, принципы и устройства микропроцессора. Приведена классификация микропроцессоров по их архитектуре, представлены параметры, которые характеризуют микропроцессоры каждого класса как вычислительное устройство и как электронное изделие. Описаны структура и основные блоки микропроцессора i486, являющегося базовым микропроцессором для этой архитектуры. В работе также были рассмотрены классические направления повышения производительности микропроцессоров, показаны их ограничения. Представлены современные пути развития универсальных микропроцессоров.
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.
Таким образом, поставленные задачи решены, цель достигнута.
Список использованных источников
1. Богданов А.В., Корхов В.В., Мареев В.В., Станкова Е.Н.Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 176 с.:ил.
2. Горюнов А.Г. Ливенцов С.Н. Микропроцессоры: Учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 89 с.
. Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 273 с.:ил.
. Гуров В.В. Компоненты и архитектура компьютеров: конспект лекций, 2008.- 104 с.
. Информатика: Базовый курс / С. В. Симонович и др. - СПб.: Питер, 2003. - 640 с.: ил.
. Микропроцессоры: В 3-х кн. / Под ред. Преснухина. М.: Высшая школа, 1986. Кн.1. 495 с. Кн. 2. 383 с. Кн. 3. 351 с.
. Нестеров П. В. Микропроцессоры.- М.: Высшая школа, 1984. -104 с.
. Новиков Ю.В. , Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 368 с.:ил.
. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 344 с.:ил.
. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. (+CD). - СПб.: Питер, 2007. - 844 с: ил.