Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификации процессора.pdf

3.3. VLIW архитектура

Рассмотрим также такую архитектуру как VLIW (very long instruction word - очень длинная машинная команда). Основная отличительная черта этой архитектуры заключается в том, что в ней присутствует возможность объединения нескольких простых команд в так называемую связку. Команды, которые входят в эту связку, должны быть независимыми друг от друга и выполняться параллельно. Таким образом, транслятор из нескольких независимых машинных команд формирует одно "очень длинное командное слово".

Данная архитектуры известна с начала 80х годов из ряда университетских проектов. Идея VLIW базируется на том, что задача эффективного планирования параллельного выполнения команд возлагается на «разумный» компилятор. Вначале компилятор проводит анализ исходной программы, для того, чтобы обнаружить все команды, которые могут быть выполнены одновременно (так, чтобы между ними не возникло конфликтов). Затем компилятор пытается объединить полученные команды в связки, каждая из которых рассматривается как сверхдлинная команда.

Существуют определенные правила, по которым компилятор формирует такую сверхдлинную команду:

- количество простых команд, объединяемых в одну команду сверхбольшой длины, равно числу имеющихся в процессоре функциональных (исполнительных) блоков (ФБ);

- в сверхдлинную команду входят только такие простые команды, которые исполняются разными ФБ, то есть обеспечивается одновременное исполнение всех составляющих сверхдлинной команды.

В состав сверхдлинных команд обычно входят команды RISC типа, длина итоговой команды обычно составляет от 256 до 1024 битов. Поскольку мы получаем по сути набор команд, собранных в одну, то итоговая команда также должна содержать специальные поля, каждое из которых описывает операцию для конкретного функционального блока. Количество таких полей ограничено числом вычислительных устройств и обычно колеблется в диапазоне от 3 до 20. Данные хранятся в едином многопортовом регистровом файле, куда все вычислительные устройства имеют доступ.

То, что в выполняемой сверхдлинной команде исключена возможность конфликтов, позволяет предельно упростить аппаратуру VLIW-процессора и, как следствие, добиться более высокого быстродействия. Подавляющее большинство цифровых сигнальных процессоров и мультимедийных процессоров с производительностью более 1 млрд операций/с базируется на VLIW-архитектуре.

Как и в случае с RISC архитектурой, основные недостатки архитектуры VLIW проистекают непосредственно из ее достоинств, и выражаются в следующих проблемах:

- регистровый файл в данной архитектуре усложнен сам по себе, также усложнены связи этого файла с вычислительными устройствами;

- создание компилятора, способного найти в программе независимые команды, связать их в длинные строки и обеспечить их параллельное выполнение является очень сложной задачей.

В России VLIW-концепция была реализована в суперкомпьютере «Эльбрус 3-1» и получила дальнейшее развитие в его последователе - «Эльбрус-2000» (E2k)^[14].

3.4. EPIC архитектура

Еще один тип архитектуры процессоров - это EPIC архитектура (Explicitly Parallel Instruction Computing - явный параллелизм команд). Впервые он был предложен в 1997 года компаниями HP и Intel для разрабатываемой архитектуры Intel Itanium. Суть этого подхода в том, что микропроцессор может выполнять инструкции параллельно, не выявляя возможность параллельной работы инструкций при помощи специальных схем, а опираясь только на работу компилятора. В результате возможно упрощение масштабирования вычислительной мощности процессора без увеличения тактовой частоты. По сути, EPIC является усовершенствованной версией VLIW. Команды упаковываются (группируются) компилятором в сверхдлинную команду - связку (bundle) длиною в 128 разрядов. Логика выдачи команд на исполнение сложнее, чем в традиционных процессорах типа VLIW, но намного проще, чем у суперскалярных процессоров с неупорядоченной выдачей.

По мнению специалистов Intel и HP, концепция EPIC, сохраняя все достоинства архитектурной организации VLIW, свободна от большинства ее недостатков.

К особенностям архитектуры EPIC можно отнести:

- большое количество регистров;

- масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных блоков;

- явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами осуществляет не процессор, а компилятор;

- предикация - команды из разных ветвей условного предложения снабжаются полями предикатов (полями условий) и запускаются параллельно;

- предварительная загрузка - данные из медленной основной памяти загружаются заранее^[15].

3.5. Дополнительные классификации процессоров

В предыдущих разделах мы подробно рассмотрели классификацию процессоров по типу архитектуры. Однако, как уже говорилось выше, процессоры могут быть классифицированы также и по другим основаниям.

Например, по области применения и выполняемым функциям процессоры подразделяются на:

а) процессоры встраиваемых (управляющих) систем (embedded processor):

- универсальные;

- с расширенными коммуникационными возможностями;

- с расширенными возможностями дискретного ввода-вывода;

- с расширенными возможностями обработки аналоговых сигналов (mixed signal processor);

б) коммуникационные процессоры - поддерживающие аппаратные интерфейсы и протоколы коммуникационных систем:

- Сетевые - поддерживающие распространенные сетевые и современные периферийные интерфейсы: Ethernet, HDLC, X.25, Tl, ATM, USB, High Speed U ART и др. Выпускаются фирмами Motorola (МСбЗЗхх, MPCSxx), AMD (Am 1 86СС);

- Модемные - поддерживающие протоколы серий V2x, V3x передачи данных по синхронным и асинхронным модемным каналам.

в) Процессоры цифровой обработки сигналов (digital signal processor (DSP)) - реализуют методы цифровой обработки сигналов: фильтрацию, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование. Отличительная особенность DSP-процессоров - поточная обработка больших объемов данных в реальном времени, требующая высокой производительности, но ограниченного набора операций. Основные производители - Texas Instruments (семейство TMS320), Analog Devices (семейство ADSP21xxx), Motorola (семейства DSP56xxx, DSP96xxx);

г) Медийные процессоры - ориентированные на обработку видео- и звуковой информации:

- С аппаратной поддержкой мультимедийной обработки (медиапроцессоры) - имеют аппаратные блоки и развитую систему команд для обработки и передачи аудио и графических данных, видеоизображений. Используются в аудио- и видеоадаптерах в персональном компьютере, в игровых приставках, в бытовой технике. Примеры: медиапроцессор систем связи компании Microtltility, универсальные медиапроцессоры Trimedia (Philips), MediaGX (Ciryx), видеопроцессоры серии NV1..5 (Nvidia);

- С мультимедийным расширением набора команд (Intel MMX и более старшие модели, UltraSPARC (Sun Microsystem).

д) Co-процессоры:

- Математические;

- Ввода-вывода.

е) Транспьютеры - процессор для построения массово-параллельных систем. Имеет на кристалле локальные процессорное ядро и память, а также специальные быстродействующие каналы связи для взаимодействия с другими транспьютерами (линки). Основной разработчик и производитель транспьютеров - компания Inmos, Inc (Великобритания).

ж) Другие типы спецпроцессоров:

- Нейропроцессоры - ориентированы на построение систем с архитектурой нейронных сетей. Такие системы применяются для решения плохо формализуемых задач: распознавание образов, предсказание поведения систем, оптимизация и т.п.;

- Процессоры языков высокого уровня (JAVA, Forth и др.);

- Узкоспециализированные (медицинская техника, военные, для научно-исследовательских систем и т.п.)^[16].

По количеству больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры:

- однокристальные - все аппаратные средства процессора реализованы в виде одной большой или сверхбольшой интегральной схемы;

- многокристальные - процессоры, в которых осуществлено разбиение их логической структуры на функционально законченные части, которые реализованы в виде больших или сверхбольших интегральных схем;

- многокристальные секционные - получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

По характеру временной организации работы различают процессоры:

- синхронные - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операции задается устройством управления (то есть время выполнения операции не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов);

- асинхронные - в которых начало выполнения каждой следующей операции определяется по сигналу фактического окончания предыдущей операции. Закончив работу над операцией устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей 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 количеству одновременно выполняемых команд:

- однопрограммные процессоры - одновременно выполняется только одна команда, переход к выполнению следующей команды осуществляется только после выполнения предыдущей;

- много- или мультипрограммные процессоры - одновременно могут выполняться несколько программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации^[17].

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены понятие процессора персонального компьютера, проведен анализ основных характеристик процессора, рассмотрена архитектура и различные виду процессоров.

Итак, персональные компьютеры действительно прочно вышли в жизнь любого современного человека. Основным вычислительным элементом, который осуществляет все необходимые операции в ходе работы с персональным компьютером, является процессор. Понимание устройства процессора, его назначения и функций, а также знание различных видов процессоров может помочь не только в повседневной жизни, например, когда нам нужно подобрать новый компьютер или отдельно процессор для работы, но и непосредственно в работе. Например, понимание работы процессора абсолютно необходимо для программистов, пишущих на языках низкого уровня (ассемблер), или для программирования на языках более высокого уровня, но позволяющих тем не менее близко работать с памятью (например, C++).

Понимание принципов работы процессора, на наш взгляд, позволит улучшить понимание процессов, проходящих во время выполнения команд, развить алгоритмическое мышление, что несомненно поможет улучшить навыки непосредственно программирования.

Список литературы

1. Акулов О.А., Медведьев Н.В. Информатика: базовый курс. М.: Омега-Л, 2006.

Алексеев Е.Г., Богатырев С.Д. Информатика. Мультимедийный электронный учебник http://inf.e-alekseev.ru/text/Processor.html

1. Дорот В.А., Новиков Ф.Н. Толковый словарь современной компьютерной лексики. 2-е изд. СПб.: BHV, 2001.
2. Ершова Н.Ю. Проектирование микропроцессорных систем. Пособие к курсу "Микропроцессорная техника". https://dfe.petrsu.ru/koi/posob/projmps
3. Иванов Е.С. «Микропроцессорные системы», методическая разработка: «Йошкар-Олинский технологический колледж», 2016
4. Информатика: Учебник. Под ред. Макаровой Н.В. М.: Финансы и статистика, 2000.
5. Лесничая И.Г. Информатика и информационные технологии. Учебное пособие. М.: Издательство Эксмо, 2007
6. Макарова Н.В., Николайчук Г.С., Титова Ю.Ф. Компьютерное делопроизводство. - СПб.: Издательский дом «Питер», 2002.
7. Под ред. Косарева В.П., Королева Ю.М. Экономическая информатика и вычислительная техника. - М.: Перспектива, 2000. - 99с.
8. Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. Практикум по экономической информатике. - М.: Перспектива, 2000.
9. Танненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. - СПб.: Питер, 2013.
10. Интернет ресурс http://www.openclass.ru/node/27313
11. Интернет ресурс https://www.watelectronics.com/what-is-risc-and-cisc-architecture/
12. Интернет ресурс https://pandia.ru/text/77/255/57695.php
13. Интернет ресурс https://sites.google.com/site/tehnorainfo/sistemnoe-programmirovanie/lekcia-2-registry-processora-i-ih-naznacenie
14. Интернет ресурс http://hardwareguide.ru/процессор/разрядность-процессора
15. Интернет ресурс http://www.singularity.com/charts/page61.html
16. Конспект лекций по теме "Микропроцессоры и микропроцессорные системы" Восточноукраинского национального университета им. В. Даля https://studfile.net/preview/2523586/page:2/
17. Словарь-справочник по информатике факультета информационных технологий Новосибирского государственного университета http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+35
18. Электронный учебно-методический комплекс "Архитектура компьютера" http://arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru/p31aa1.html

1. http://www.singularity.com/charts/page61.html ↑

2. Алексеев Е.Г., Богатырев С.Д. Информатика. Мультимедийный электронный учебник http://inf.e-alekseev.ru/text/Processor.html ↑

3. http://hardwareguide.ru/процессор/разрядность-процессора ↑

4. Иванов Е.С. «Микропроцессорные системы», методическая разработка: «Йошкар-Олинский технологический колледж», 2016 - с.14 http://moodle.yotc.ru/book/mp.pdf ↑

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%8D%D1%88 ↑

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D1%84%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0 ↑

7. https://sites.google.com/site/tehnorainfo/sistemnoe-programmirovanie/lekcia-2-registry-processora-i-ih-naznacenie ↑

8. http://arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru/p31aa1.html ↑

9. https://pandia.ru/text/77/255/57695.php ↑

10. https://www.watelectronics.com/what-is-risc-and-cisc-architecture/ ↑

11. https://dfe.petrsu.ru/koi/posob/projmps/comm3.html ↑

12. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+739+35 ↑

13. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+740+35 ↑

14. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+741+35 ↑

15. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+742+35 ↑

16. https://studfile.net/preview/2523586/page:2/ ↑

17. http://www.openclass.ru/node/27313 ↑