Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессоров.pdf

4.8 Система команд процессора

Системой команд процессора называется набор тех инструкций, которые он может распознать, и выполнить закодированные в них действия. Системы команд различных процессоров могут довольно сильно различаться, однако условно их можно разделить на четыре группы:

• CISC-процессоры. Это процессоры, внутри которых используется достаточно сложная система команд. Типичными представителями процессоров CISC являются, например, процессоры фирмы Intel (хотя на самом деле, внутри данных процессоров расположено RISC-ядро, и все CISC-команды разбиваются на микрооперации, выполняемые им). Преимуществом данного вида процессоров является то, что с использованием сложных команд можно уместить достаточно сложные действия в небольшое число команд, что приведет к более быстрому выполнению программы. Однако для этого сам процессор должен быть достаточно сложным и комплексным;
• RISC-процессоры. Это процессоры с упрощенной системой команд. Как правило, все команды имеют фиксированную длину, а процессор имеет большое число регистров. Примерами RISC-процессоров являются процессоры с системами команд MIPS или ARM. Главным преимуществом данной системы является простота процессора.
  Во-первых, из-за одинаковой длины команд нужна гораздо более простая схема управления выборкой и декодированием команд, во-вторых, из-за малого числа команд можно обойтись меньшим числом транзисторов. Все это приводит к маленькому, а, следовательно, более простому и быстрому процессору. Однако программисту сложнее писать для него программы – в отличие от CISC-процессоров, требуется больше команд на выполнение действий;
• MISC-процессоры. Это процессоры со стековой моделью вычислений и с еще меньшим набором команд (как правило, 20-30).
  MISC-процессоры имеют те же достоинства и недостатки, что и RISC-процессоры, однако они еще более выражены. Например, с использованием этой системы команд выпускают процессоры для работы с языком программирования Forth [9];
• VLIW-процессоры. Они используют очень длинный код операции, куда заносится сразу несколько одновременно выполняемых операций. Например, если процессор имеет внутри себя четыре АЛУ, два из которых умеют выполнять только сложение и вычитание, один, дополнительно, еще умеет выполнять умножение и деление, а последний используется только для операций с плавающей точкой, то в одном «длинном» коде операции можно задать сразу четыре /
  операции – две сложения, одну деления и одно извлечение квадратного корня. Естественно, операции не должны зависеть друг от друга, то есть, нельзя извлекать квадратный корень из числа, получаемого после первой операции сложения. Большим преимуществом данного вида процессоров является то, что команды выполняются действительно параллельно – то есть, если в коде операции используются все четыре АЛУ, они действительно будут использоваться все четыре (и мы получим четырехкратный выигрыш в производительности). В CISC или RISC-процессорах распределением команд по АЛУ обычно занимается некий встроенный в процессор планировщик, и он может работать не самым эффективным способом. Однако у данного вида процессоров есть и существенный недостаток – кто-то должен поделить инструкции по видам АЛУ. Конечно, это может сделать и человек, однако для современных процессоров (где встречается до 64 ядер и больше) это практически нереально. Кроме того, чаще всего, изначально программист не знает, сколько АЛУ, и каких именно, будет в процессоре, на котором будет выполняться его программа у заказчика. Поэтому данную задачу возлагают на компиляторы языков программирования высокого уровня (например, C). Но, опять же, не факт, что компилятор C выполнит эту работу самым эффективным образом.

Из четырех вышеперечисленных групп в настоящее время используются лишь три – MISC-процессоры в персональных компьютерах не применяются (да и в не-персональных компьютерах встречаются очень редко).

Процессоры с системой команд VLIW также до последнего времени нельзя было назвать персональными, однако в последнее такие процессоры под названием «Эльбрус» стала выпускать российская фирма «МЦСТ» в рамках программы импортозамещения [2]. Хотя компьютеры, построенные на таких процессорах все еще являются достаточно медленными, и дорогими, однако на их основе уже существуют рабочие станции, которые с некоторой натяжкой можно назвать персональными. Например, существует рабочая станция «Эльбрус 401-PC» за 203 тысячи рублей [16]. Может быть, это направление когда-нибудь разовьется, и VLIW-процессоров станет больше, однако пока (на 2019 год) их очень мало.

Домашние компьютеры, и рабочие станции, которые расположены на предприятиях чаще всего используют процессоры с системой команд типа CISC – такие как процессоры Intel и AMD. Это самая частовстречающаяся система команд, характеризующаяся тем, что команд очень много, они довольно сложные, однако позволяют выполнять достаточно сложные операции.

С использованием системы команд RISC работают, например, почти все процессоры, используемые в мобильных телефонах и планшетах. Как правило, в них используется один из вариантов системы команд RISC, разработанный фирмой ARM. Данный набор команд характеризуется тем, что команд довольно мало, они довольно простые, поэтому сам процессор сделать гораздо проще и частота у него будет выше. Однако из-за простоты команд их приходится писать больше, а следовательно, программы получаются длиннее.

Для использования внутри телефонов и планшетов были выбраны именно RISC-процессоры именно из-за того, что они проще, и выделяют меньше тепла. Это особенно важно для данных типов устройств, так как в них очень сложно вывести тепло наружу. Если у вас есть обычный системный блок, и он сильно греется, вы можете поставить внутрь множество вентиляторов, или даже водяное охлаждение, чтобы справиться с проблемой. Однако если у вас есть телефон, как правило, поместить что-либо внутрь уже не получится (там просто нет для этого места), поэтому чем меньше тепла будет выделять процессор, тем лучше.

Однако нельзя сказать, что не предпринимались (и не предпринимаются) попытки создать телефоны, планшеты и ноутбуки на основе процессоров CISC (в частности, фирмы Intel). Существует такой класс процессоров как Intel Atom, специально разработанных для более низкой производительности, и более низкого тепловыделения. В частности, с их использованием, например, работает множество ноутбуков, и даже несколько планшетов, например, Microsoft Surface [8].

4.9 Тепловыделение

Тепловыделение, обычно выражаемое в ваттах, показывает, какую сколько тепла выделяет процессор при своей работе. Например, если процессор имеет показатель тепловыделения (обозначаемый обычно
как TDP) в 95 Ватт, это означает, что для его работы необходим вентилятор (кулер), который в нормальных условиях может отвести от него такой объем тепла, и рассеять его в воздухе.

Как было указано в предыдущем пункте, тепловыделение особенно важно для ноутбуков и мобильных процессоров, так как их достаточно сложно изменить конструктивно, добавив охлаждающих элементов. Поэтому часто бывает так, что скорость процессоров для таких устройств специально занижают (делают ниже максимальной), как раз с целью того, чтобы выделялось меньше тепла. Именно поэтому, как правило, мобильные процессоры (например, фирм Qualcomm или MediaTek) работают на частотах около 2 Гигагерц, а не 4, как обычные процессоры Intel и AMD.

Если сравнивать обычные персональные компьютеры, то процессоры от AMD почти всегда выделяли больше тепла, чем сравнимые с ними процессоры Intel, а значит, требовали более мощного охлаждения. Это верно даже сейчас, хотя и не так явно выражено.

При выборе обычных процессоров для персональных компьютеров на тепловыделение внимание обращают редко (только если при сборке, при подборе нужного кулера), в то время как при покупке телефона или планшета это довольно существенная характеристика. Часто бывает так, что устройство начинает достаточно сильно греться при больших нагрузках, что достаточно неприятно.

Учитывая, что в последнее время мобильных устройств становится все больше, можно сделать вывод, что данная характеристика будет оказывать все большее влияние на дизайн будущих процессоров.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели процессоры для персональных компьютеров, определили их назначение и функции, а также провели их классификацию по основным, наиболее существенным признакам.

Исходя из данной курсовой работы, становится понятно, как много характеристик приходится оценивать потребителю, желающему купить какой-либо из производимых процессоров. Хотя основных современных производителей процессоров всего два, тем не менее, представляемый ими модельный ряд достаточно широк, и в нем несложно запутаться.

Кроме этого, к персональным компьютерам, в принципе, можно отнести и мобильные устройства, такие как телефоны и планшеты, процессоры для которых (как и критерии их выбора) существенно отличаются от таковых для обычных десктопных систем.

Вне всякого сомнения, процессоры и их системы команд будут развиваться и дальше. Процессоры будут постепенно наращивать количество ядер, и все острее будет вставать проблема создания такой системы команд, которая позволит эффективно распределить выполнения программы на несколько потоков.

Первые языки параллельного программирования уже созданы, например, тот же язык программирования Erlang. Однако он довольно медленен, так как, по сути, является виртуальной машиной гипотетического «виртуального процессора». Несомненно, в будущем, в процессоры будут включать все больше возможностей параллельного программирования.

Можно сказать, что процессоры в настоящее время находятся на пике своего развития, пройдя путь от процессора Intel 4004 с парой тысяч транзисторов до нескольких миллионов и даже миллиардов в современных компьютерах. Скорее всего, в будущем, их сложность и эффективность будут только расти.

Список использованных источников

Список использованной литературы

1. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 320 с.

2. Ким А.К., Перекатов В. И., Ермаков С. Г. Микропроцессоры и вычислительные комплексы семейства «Эльбрус». – СПб.: Питер, 2013.
– 272 с.

3. Кириллов В.В. Архитектура базовой ЭВМ – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 144 с.

4. Королев Л.Н. Архитектура электронных вычислительных машин – М., Научный мир, 2005, 272 с.

Список использованных электронных ресурсов

5. AMD показала, на что способен ее флагманский 64-ядерный процессор. URI: https://www.ixbt.com/news/2019/05/27/amd-pokazala-na-chto-sposoben-ejo-flagmanskij-64jadernyj-processor.html (дата обращения 29.07.2019)

6. Разин А. Intel разъяснила, как 7-нм техпроцесс поможет ей выжить. URL: https://3dnews.ru/987258 (дата обращения 29.07.2019).

7. KolibriOS в BIOS (coreboot / SeaBIOS) на G505S – успех! URL: http://board.kolibrios.org/viewtopic.php?t=3446 (дата обращения 29.07.2019)

8. Microsoft Surface 3 64 Gb. URL: http://zoom.cnews.ru/goods_card/character/582472/microsoft-surface-3-64gb (дата обращения 29.07.2019).

9. MISC против RISC против CISC. URL: http://www.enet.ru/win/cherezov/forthcpu/misc.html (дата обращения 29.07.2019).

10. Roosendaal E. On the 3x+1 problem. Introduction and definitions. URL: http://www.ericr.nl/wondrous/#part1 (дата обращения 29.07.2019).

11. Top 500 Supercomputers List, June 2019. URL: https://www.top500.org/lists/2019/06/ (дата обращения 29.07.2019).