Файл: МУЛЬТИПРОЦЕССОРЫ (Общая характеристика процессоров).pdf

Информационные технологии и различные технические средства развиваются все стремительнее, что не может не сказаться на самых разных сферах жизни общества. Действительно, сегодня очень сложно представить любое успешное предприятие, не использующее в своей работе современные технологии. При этом объем автоматизации производства и других процессов в различных сферах зависит от разных признаков, в частности – от масштабов таких производств и численности персонала. Персонал представляет собой отдельный вопрос – современные системы обработки информации строятся таким образом, чтобы готовый пользовательский интерфейс был дружествен ко всем сотрудникам, вне зависимости от их уровня компьютерной грамотности.

Сегодня часто применяются многопроцессорные вычислительные системы. Они используются в самых разнообразных отраслях науки, производства, коммерческой деятельности, медицины и даже образования. Примечательно, что весомый вклад в распространение многопроцессорной техники привнесло стремительное развитие кластерных систем.

Традиционно мультипроцессоры применялись преимущественно в сфере научных исследований и крупных вычислительных задач, которые требовали использования мощных вычислительных ресурсов. Сегодня же в связи с активным развитием коммерческой деятельности пропорционально растет и число организаций, которые небезосновательно делают крупные ставки на применение компьютерных технологий и современных систем обработки информации. Соответственно росту вовлеченных потребителей, растет и спрос на построение масштабных централизованных вычислительных систем, которые позволят оперативно и надежно обрабатывать информацию, объемные базы данных и т.д.

Мультипроцессоры в настоящее время в основном применяются для обработки транзакций в режиме реального времени, а также для создания и сопровождения хранилищ данных. Цели, назначение и функционал мультипроцессорных систем могут варьироваться в зависимости от различных параметров. В связи с этим определяется цель исследования – рассмотреть мультипроцессоры. Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:

охарактеризовать понятие процессора;
рассмотреть классификацию процессоров;
проанализировать понятие мультипроцессора;
охарактеризовать мультипроцессорные системы;
подвести итоги исследования.

Объект работы – процессоры. Предметом исследования являются мультипроцессоры.

Методологической и теоретической базой исследования выступают работы известных исследователей устройства персонального компьютера, его архитектуры, и в частности – процессоров. Это работы таких авторов как Гук М., Киселев А. В., Столлингс В. и мн. др.

Структура работы включает две главы и четыре параграфа, а также введение, заключение и список использованных источников и 5 иллюстраций. Общий объем работы составляет 28 страниц.

1. Общая характеристика процессоров

1.1. Понятие и сущность процессора

Процессор, чип (центральное процессорное устройство – Central Processing Unit, CPU) – главная часть любого компьютера, его сердце и мозг. Именно это устройство отвечает за вычисления и обработку информации, выполняет команды пользователя и руководит другими устройствами [11].

Представляет собой небольшой кусок полупроводникового материала (обычно кремния), в который вмонтирована интегральная (микро) схема. Обычный чип может содержать миллионы электронных компонентов (транзисторов).

Чипсет (Сhipset) – набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения каких–либо функций.

Принципы построения и характеристики процессора постоянно меняются. Чипы, в которых используются те же основные принципы строения, называют процессорами одной архитектуры, а эти принципы – архитектурой процессора. В рамках одной архитектуры процессоры также могут отличаться: о таких процессорах говорят, что они имеют разные ядра.

Ядро, используемое в том или ином чипе, определяет его производительность, энергопотребление и тактовую частоту. Процессоры, содержащие на одном кристалле или в одном корпусе несколько ядер, называются многоядерными. Увеличение числа вычислительных ядер повышает мощность процессора [5].

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является его разрядность. Понятие «разрядность» указывает на количество информации, которая может быть обработана за одну операцию (такт).

Современные процессоры могут обрабатывать от 32 до 64 бит. Производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность.

В свою очередь скорость работы процессора определяется тактовой частотой. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем быстрее работа компьютера.

В настоящее время микропроцессоры и процессоры вмещают в себя миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют собой сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства [5].

Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что–либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point. Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.

Компьютеры с процессорами, поддерживающими систему команд Intel х86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta), на которых может исполнять операционная система Microsoft Windows, называются Wintel–компьютерами (от Windows и Intel).

Тактовая частота процессора определяет минимальный квант времени, за который процессор выполняет некоторую условную элементарную операцию. Тактовые частоты измеряются в мегагерцах и определяют количественные характеристики производительности компьютерных систем в целом. Чем больше (выше) тактовая частота, тем быстрее работает центральный процессор [10].

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико–логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора [9].

1.2. Классификация процессоров

Сегодня процессоры классифицируются по множеству признаков. Рассмотрим наиболее распространенные классификации.

По числу больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно [16].

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства «стыковки» [16].

1.2.1. Классификация по назначению

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума [3].

1.2.2. Классификация по характеру временной организации работы

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 следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой–либо 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 [12].

1.2.3. Классификация по количеству выполняемых программ

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 [2].

В первой главе данного исследования было рассмотрено понятие процессоров, а также их самые распространенные классификации. Определено, что процессоры представляют собой основную часть любого компьютера, которая отвечает за реализацию вычислений и процессов обработки информации. Процессор также представляет собой очень сложную, но при этом динамичную систему, в связи с этим и признаки классификации сильно варьируются. С полученными данными возможно дальнейшее проведение более обоснованного исследования по проблеме мультипроцессоров.