Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Назначение и история создания процессора).pdf

1. Блок выборки инструкций считывает адрес инструкции из регистра-счетчика команд и загружает инструкцию которая находится по этому адресу в КЭШ памяти или ПЗУ. В случае если есть системное прерывание то блок выборки сохраняет все данные регистров и счетчика команд в стэк и выполняет задачи связанные с прерыванием, после чего восстанавливает все данные и переходит к прерванной инструкции.
2. Блок декодирования получает инструкцию из блока выборки инструкций и декодирует ее. Если инструкция длинная то для декодирования используется микро код из системной ПЗУ . Если в инструкции есть логический переход то адрес перехода записывается в счетчик команд и управление передается назад в блок выборки инструкций. После декодирования инструкции если она содержит данные то управление передается в блок выборки данных.
3. Блок выборки данных считывает данные необходимые для выполнения инструкции из ПЗУ или КЭШ памяти.
4. Далее блок управления передает инструкцию и данные в один из блоков выполнения.
5. Блок выполнения выполняет действия инструкции и передает управление

в блок сохранения результата .

1. Блок сохранения результата в случае необходимости сохраняет данные полученные в результате выполнения инструкции в ПЗУ .
2. Затем цикл повторяется с пункта 1.

Все эти действия выполняются за несколько тактов генератора импульсов. Чем выше тактовая частота процессора тем быстрее будет выполнятся этот цикл.

1.3. Классификация современных процессоров

Современные процессоры используются во всех сферах человеческой деятельности, начиная от домашнего использования в ПК и умной домашней электроники до экстремальных применений таких как космонавтика, производство, военная техника и.т.д. Процессоры выпускают множество компаний по всему миру для разных сфер применения, и каждая использует свои стандарты и технологические решения. Ниже постараемся привести общую классификацию типов современных процессоров.

По набору программных инструкций:^[11]

• CISC (Complex Instruction Set Computer) - полный набор инструкций. Состав и назначение не однородны также характеризуется разными по длине инструкциями, что существенно усложняет процесс декодирования . Что в конечном счете приводит к увеличению числа тактов процессора на выполнение одной инструкции. К положительным сторонам можно отнести меньшую сложность при написании программ на языке низкого уровня. Процессоры с поддержкой CISC в основном выпускались компанией INTEL.
• RISC – укороченный набор инструкций. Как правило все длинные инструкции заменены набором более простых, равных по длине и однородных. Это решение значительно упрощает устройство некоторых узлов процессора а также ускоряет выполнение самих инструкций (часто, одна инструкция за один такт ) Недостатком является большая сложность при написании программ на языке низкого уровня но при этом не имеет значения при написании программ на языке высокого уровня, который на сегодняшний день используется чаще.

По архитектуре:

• Фон Неймана — программа и данные хранятся в одном массиве памяти и для их извлечения задействована одна линия.
• Гарвардская — программы и данные хранятся в разных массивах памяти и для их извлечения как правило использованы разные линии. Преимущество такой архитектуры — большее быстродействие в обмен на большую сложность реализации.

По разрядности — способность оперировать данными определенной длинны в разрядах 4,8, 16, 32 или 128-ми разрядные.

По числу выполнения одновременных задач — одно и многозадачные. Обычно напрямую связанно с наличием нескольких ядер в процессоре.

По назначению – универсального, специального назначения и для носимой электроники

• Универсальные или общего назначения — эти процессоры предназначены для решения широкого круга задач. Такие процессоры можно встретить в домашних компьютерах, серверах, ноутбуках и.т.д Характерные характеристики таких процессоров это достаточно высокая производительность так как часто требуется обработка и декодирование аудио видео сигналов, отсутствие множества встроенных периферийных устройств и интерфейсов , высокое энергопотребление (так как редко требуют автономного питания), лояльные условия эксплуатации.
• Специального назначения — эти процессоры можно условно разделить на две группы:^[12]

1. Микроконтроллеры — тип процессоров который еще называют система на кристалле, используется в бытовой электронике такой как телевизоры, калькуляторы, стиральные машины, плееры и.т.д. Также используются в промышленной, военной и космической электронике. Для микроконтроллеров характерны такие качества как: низкое энергопотребление, разная производительность в зависимости от назначения, способность работать в экстремальных условиях, множество встроенных периферийных устройств ( коммуникационные интерфейсы, память программ и данных и.т.д.), небольшие габариты, разный ценовой диапазон.
2. Цифровые сигнальные процессоры – это специализированные микропроцессоры, предназначенные для цифровой обработки аналоговых и цифровых сигналов. Часто используются в гражданских, военных и промышленных системах обработки аудио и видео информации таких как видео регистраторы, видео карты компьютеров, системах искусственное зрение, для шифрования данных и.тд. Эти процессоры имеют на своем борту специализированные периферийные блоки такие как: ЦАП , АЦП, различные фильтры, блоки шифрования и обработки сигналов и информации.

• Процессоры для носимой электроники - Этот вид процессоров появился недавно и связан с развитием прогресса. Все больше людей используют карманные компьютеры, смартфоны и.т.д В связи с возросшими требованиями к компактности, высокой производительности и автономностью таких устройств производители были вынуждены разработать процессоры соответствуюшие этим требованиям. Новые процессоры получились чем то средним между процессорами общего назначения и микроконтроллерами впитав в себя такие качества как: высокая производительность, низкое энергопотребление , богатая периферия на борту, компактные размеры. На данный момент являются наиболее перспективными и востребованными в гражданской сфере.

1.4. Основные производители процессоров

Процессоры общего назначения - Среди производителей данного типа процессоров на протяжении уже долгих лет лидируют две конкурирующие фирмы INTEL и AMD . Оба производителя делают высокоэффективные процессоры но можно отметить что компания INTEL увеличивает производительность за счет повышения рабочих частот процессора а AMD делает ставку на повышения количества ядер. Обе компании выпускали преимущественно процессоры с системой команд CISC но в связи с динамичным увеличением рынка мобильных устройств были вынуждены стать лицензиатами компании ARM и начать выпуск RISC процессоров для мобильных устройств.

Микроконтроллеры и сигнальные процессоры — Очень большое количество производителей и вариантов изделий. Но можно отметить ряд крупных производителей и их долю на рынке.^[13]

Микроконтроллеры :

NXP SEMICONDUCTORS -19%

RENESAS ELECTRONICS -16%

MICROCHIP TECHNOLOGY -14%

SAMSUNG -12%

STMICROELECTRONICS -10%

INFINEON TECHNOLOGIES -7%

TEXAS INSTRUMENTS -6%

CYPRESS -4%

Сигнальные процессоры :

Texas Instruments -54.3%

Freescale Semiconductor -14.1%

Analog Devices -8%

Philips Semiconductors -7.5%

Agere Systems -7.3%

Прочие -8.8%

Процессоры для мобильных устройств- Наиболее интересный, перспективный и востребованный рынок на сегодняшний день. В связи с всеобщей популярностью носимых компьютеров и мобильных устройств в сферу производства мобильных процессоров ударились все крупные старые и новые компании производители. Но на этом фоне хочется отметить особо компанию ARM , она не является непосредственно производителем процессором а занимается проектированием ядер процессоров используя свою одноименную архитектуру. Продуктом компании является лицензия на право использования своей интеллектуальной собственности и производственная документация на изделие на базе архитектуры ARM. Среди лицензиатов компании- AMD, Apple, Analog Devices, Atmel , Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel , Marvell,NXP, STMicroelectronics, Samsung, LG, Media Tek, Mstar, Qualcomm, Sony, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр, ЭЛВИС, HiSilicon. ^[14]

Ниже приведена иллюстрация разделения рынка среди производителей процессоров для мобильных устройств. Так или иначе все эти производители используют архитектуру ARM (см. рис. 5)

Рисунок 5 Производители мобильных процессоров^[15]

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОРОВ

2.1. Повышение производительности процессоров

Процессоры производят уже более 30 лет и на пртяжении всего этого времени возрастали требования к эффективности и производительности процессоров. Это во многом связанно с усложнением программного обеспечения а также с появлением современных сетевых интерфейсов таких как Интернет, видео игр и.т.д. Которые требуют быстрой обработки больших обьемов информации. Для увеличения производительности процессоров инженеры двигуются в двух направлениях это увеличение быстродействия ядра, и увеличение быстродействия способа доставки данных и команд. Ниже приведем описание этих методов и принципов заложенных в них.^[16]

Увеличение тактовой частоты процессора - Как нам уже известно тактовая частота процессора напрямую связанна с его быстродействием, так как каждый шаг работы процессора совершается за один импульс тактового генератора. И чем быстрее частота этих импульсов тем быстрее работает процессор. Но у этого метода есть ряд ограничений. Это увеличение нагрева процессора с повышением частоты работы, увеличение энергопотребления и возможность не стабильной работы и ошибок .

Организация конвейера - При выполнении вычислений процессор выполняет большое количество действий путем переключения транзисторов на кристалле. И в первых процессорах команды выполнялись каждая отдельно с момента загрузки из памяти до сохранения результата, таким образом одна команда проходила последовательно все вычислительные модули по очереди. Это занимало много машинного времени от 3 до 7 тактов. Метод конвейризации позволяет начинать обработку следующей команды еще до окончания выполнения текущей команды. Таким образом, центральный процессор за один машинный такт может обрабатывать несколько команд. Также в современных процессорах также применяются такие технологии как — суперконвейер и гиперконвейер. Они представляют обычный конвейер но разбитый на большее количество шагов (от 10 до 20) это разбиение упрощает его устройство и позволяет работать на более высокой частоте.

Суперскалярность — Технология увеличения производительности за счет увеличения количество однотипных вычислительных блоков. Например в ядрах современных процессоров используется несколько блоков дешифрирования и несколько блоков выполнения, что позволяет одновременно выполнять несколько команд.
Параллельные вычисления или многоядерность^[17]- Суть этого метода становится понятна уже из названия это повышение производительности за счет увеличения количества вычислительных ядер процессора. Современные процессоры уже как стандарт имеют от двух и более ядер. Правда и у этого метода есть некоторые недостатки. Во первых не все программное обеспечение может эффективно использовать несколько ядер одновременно. Во вторых с увеличением количества ядер усложняется механизм загрузки данных из памяти. Но зато это кратно увеличивает производительность. Технология Hyper-Threading^[18] - позволяет одному ядру выполнять одновременно две задачи за счет эффективного задействования ресурсов и добавления дополнительных модулей и регистров памяти. Таким образом одно ядро превращается в два виртуальных. Но недостатком этой технологии является возможность конфликтов между двумя одновременно выполняемыми однотипными задачами так как они могут нуждаться в одном модуле ядра одновременно. Также эффективность этой технологии сильно зависит от типа выполняемых задач. Технология Turbo Boost- позволяет процессору динамически менять свою частоту работы. В моменты когда требуется максимальное быстродействие процессор повышает частоту работы а в моменты простоя опускает. При этом процессор сам контролирует все свои параметры такие как температура, электро- потребление и.т.д. и не дает им выйти из нормы чтобы не допустить выход из строя.

Оптимизация системы команд- В те далекие годы когда появились первые процессоры программисты писали программы для них преимущественно на языках низкого уровня близких к самим машинным инструкциям. По этой причине производители процессоров шли к ним на встречу и старались увеличит количество и разнообразие инструкций для упрощения работы программистов. По этой причине процессоры долгое время использовали расширенную систему команд CISC. Недостатком этой системы является большая сложность микроархитектуры процессора и соответственно более низкое быстродействие так как требуется больше шагов обработки таких команд. Но с увеличением быстродействия процессоров и памяти программ а также с появлением языков программирования высокого уровня стало ясно что процессоры с системой команд CISC становятся менее эффективными по сравнению с RISC. RISC это система команд с укороченным набором инструкций и стандартизацией их длинны. Преимущества RISC это значительное упрощение микроархитектуры процессора и увеличенное быстродействие в сравнении с CISC . Правда есть и недостатки в виде увеличения размера программы , но в современных реалиях на это можно закрыть глаза, так как проблем с ограничением памяти программ уже нет.