Файл: Понятие процессора, его назначение и функции.pdf

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской платы. [7, с. 90]

Итак, было рассмотрено понятие микропроцессора, история появления и его назначение.

Функции процессора

После включения питания процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на прямой доступ к памяти.

Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения.

Таким образом, основные функции любого процессора следующие:

1. выборка (чтение) выполняемых команд;
2. ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;
3. вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;
4. обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
5. адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;
6. обработка прерываний и режима прямого доступа. [5, с. 58]

Итак, было рассмотрено как микропроцессор обрабатывает команды и выделены его основные функции.

Классификация процессоров

Классификация микропроцессоров согласно Степиной В. В.

Степина Вера Владимировна в книге «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» рассмотрела классификацию микропроцессоров, представленную на рисунке 3.

Рисунок 3 Классификация процессоров Степиной В. В.

1. По числу БИС в микропроцессорном комплекте:
2. однокристальные МП;
3. многокристальные МП;
4. многокристальные секционные МП.

В первую очередь на такое деление повлияли возможности БИС: ограниченное число элементов, выводов корпуса, в то время как МП— довольно сложное устройство, имеющее много логических элементов и требующее большое количество выводов корпуса БИС.

Однокристальный МП получен при реализации всех аппаратных средств МП в виде одной БИС или СБИС. Основные характеристики таких МП зависят от технологии изготовления БИС.

Многокристальные МП получены при разбиении его логической структуры на функционально законченные части и реализации их в виде БИС

Многокристальные секционные МП получаются, когда в виде БИС реализуются логические структуры МП при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями

1. По назначению:
2. универсальные;
3. специальные.

Универсальные МП могут быть применены для решения широкого круга задач. При этом их эффективная производительность мало зависит от проблемной специфики задачи. Как правило, это определяется достаточно широкой универсальной системой команд.

Специальные МП проблемно ориентированные МП, которые нацелены на ускоренное выполнение определенных функций, что увеличивает эффективную производительность при решении только определенной задачи.

1. По виду обрабатываемых входных сигналов:
2. цифровые;
3. аналоговые.

Сами микропроцессоры цифровые устройства, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в микропроцессор через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются. После обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход.

С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы.

При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной настройки цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов. [12, с. 23]

1. По характеру временной организации работы:
2. одномагистральные;
3. многомагистральные.

Одномагистральные - все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов;

Многомагистральные - устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям.

1. По количеству выполняемых программ:
2. однопрограммные;
3. мультипрограммные.

Однопрограммные (однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. 

Мультипрограммные либо могут одновременно выполнять несколько программ, либо имеют средства для поддержки виртуальной мультипрограммности.

1. По составу команд:
2. RISC- процессоры;
3. CISC- процессоры.

RISC- процессоры эффективны в тех областях применения, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. [12, с. 20]

Процессоры с традиционными наборами команд называют CISC-процессорами с полными наборами команд.

Итак, Степина В. В. В книге «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» [10] классифицировала микропроцессоры по 6 параметрам: по числу БИС, назначению, виду обрабатываемых вводных сигналов, характеру организации работы, количеству выполняемых команд и составу команд.

Классификация микропроцессоров согласно Максимову Н.В.

Максимов Николай Вениаминович в книге «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем», в зависимости от набора и порядка выполнения команд и отражающих также хронологию развития ЭВМ выделил четыре класса:

1. CISC;
2. RISC;
3. MISC;
4. VLIW.

CISC (Complex Instruction Set Computer) – классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 1940-х годах с появлением первых компьютеров и в которой ЦП использует микропрограммы для выполнения большого набора разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации, для этого требуется наличие сложных электронных цепей для декодирования и исполнения. В течение длительного периода производители компьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и полные системы команд.

Типичным примером CISC являются процессоры Intel x86. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт, и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура процессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности. [4, с. 215]

В первую очередь, для CISC микропроцессоров характерно небольшое количество регистров общего назначения. В Pentium процессорах имеются восемь восьмиразрядных регистров, восемь шестнадцатиразрядных и восемь тридцатидвухразрядных.

При выполнении команд все регистры общего назначения являются равноправными, однако некоторые из них имеют специальное назначение, так как используются в различных командах по умолчанию.

Второй отличительной чертой CISC микропроцессоров является очень большое количество различных инструкций. Для кодирования кодов операций в формате команд выделяется 2 байта. Некоторые команды имеют один и тот же код операций, но операции выполняются над разными размерами операндов – это осуществляется за счет использования специальных байтов-префиксов, которые указывают, какие размеры операнда надо использовать. [2, с. 36]

К началу 80-х годов классические CISC полностью исчерпали себя. Расширять набор инструкций в рамках этого подхода дальше не имело смысла, наоборот - технологи столкнулись с тем, что из-за высокой сложности CISC-процессоров оказалось трудно наращивать их тактовую частоту, а из-за медленной работы оперативной памяти тех времен, зашитые в память процессора расшифровки сложных инструкций зачастую работают медленнее, чем точно такие же цепочки команд, встречающиеся в основной программе. Таким образом, стало очевидным, что CISC-процессоры нужно упрощать - и на свет появился RISC. [6, с. 26]

RISC (Redused Instuction Set Computer) — архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. и имел шифр IBM 801.

Разработчики свели к минимуму набор инструкций и количество режимов адресации памяти, сжав все в простой и удобный для декодирования регулярный машинный код.

В классическом варианте RISC из инструкций, обращающихся к оперативной памяти, оставлены только две: Load - загрузить данные в регистр и Store - сохранить данные из регистра. Они избавились от инструкций вроде вычисления синуса, косинуса или квадратного корня, так как их можно реализовать программно. [6, с. 27]

Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации.

Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

Начиная с процессора Pentium, корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия.

В то время, как в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо в большинстве случаев десять тактов и более, процессоры RISC близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. [4, с. 216]

Процессор MISC работает с минимальным набором длинных команд и характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIW обеспечивает выполнение группы команд за один цикл работы процессора.

Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIW концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

VLIW (Very Large Instruction Word – очень длинное командное слово) — архитектура, которая появилась относительно недавно. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций.

Идея VLIW базируется на том, что задача эффективного планирования параллельного выполнения нескольких команд осуществляется не аппаратными средствами, а возлагается на «разумный» компилятор. [2, с. 44] Специальный компилятор планирования перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду.

В течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд, а во-вторых — упростить структуру процессора. Этим технология VLIW отличается от суперскалярности (здесь отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы, а не заранее, из-за этого усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы). [4, с. 216]

Итак, Максимов Н. В.раздели микропроцессоры на четыре класса CISC, RISC, MISC, VLIW.