Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров.pdf

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры делятся на четыре класса:

• Микропроцессоры типа CISC
• Микропроцессоры типа RISC
• Микропроцессоры типа VLIW
• Микропроцессоры типа MISC

Микропроцессоры типа CISC

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д. Законодателем «мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая МП по некоторым параметрам лучше «интеловских». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение; характеристики некоторых из них приведены в табл.1.

Таблица 1. Характеристики некоторых CISC МП

Pentium 4 XE (Gallatine)	64	36	3200-3600	64⋅109	SSE3	178⋅106; 0,09 мкм	16+16 2048F	Socket LGA 775, Strained, SOI, Cu	2004
Pentium D 2 ядра	34	64	2800-3200	64⋅109	SSE3+	275⋅106; 0,09 мкм	16+16 2×1024	Socket LGA 775, Strained, SOI, Cu	2005

Условные обозначения в столбце «Состав команд»: «ММХ +» означает, что имеется несколько дополнительных 32-битовых инструкций группы SSE (Streaming SIMD Extention). В столбце кэш символ F у кэш-памяти уровня L2 означает, что память рабо­тает на частоте процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора.

Пояснения к таблице:

• число элементов — это количество элементарных полупроводниковых пере­ходов, размещенное в интегральной схеме МП. Технология обычно характе­ризуется размером элемента в микронах (микронная технология).
• микропроцессоры 80486DX и выше имеют встроенный математический сопро­цессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отноше­нию к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работа­ют с обычной частотой;
• у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд — это одновременное выполне­ние разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непо­средственной передаче результатов из одной части МП в другую, увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;
• у МП 80286 и выше есть возможность работы в вычислительной сети;
• у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти.

---

Современные микропроцес­соры имеют два режима работы:

• реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно вы­полнение только одной программы и непосредственно адресоваться могут только 1024 + 64 Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов;
• защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечи­вающий выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адре­сацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Предоставляется непосредственный доступ к памяти ем­костью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 100 Гбайт для МП Pentium Xeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти — к 16 Тбайт виртуальной памяти для каждой задачи. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствую­щая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный ре­жим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, UNIX и т. д.
• в МП 80386 и выше встроена поддержка системы виртуальных машин. Систе­ма виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадач­ной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
• у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти;
• у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять ко­роткие операции за 1 такт.

Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обо­значения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и т. д.).

МП шестого поколения 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro, имеют более высокую производительность благодаря наличию «динамического исполнения» (dynamic execution).

Это означает:

• наличие многоступенчатой супер конвейерной структуры (superpipelining),
• наличие предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction)
• исполнение команд по пред­полагаемому пути ветвления (speculative execution).

В программах решения многих задач содержится боль­шое число условных передач управления. Если процессор может заранее пред­сказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейе­ров. Если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и за­грузить нужные команды заново, что требует достаточно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90%, про­тив 80% у МП Pentium.

---

МП Pentium ММХ (ММХ — MultiMedia eXtention) и Pentium II модернизированы для работы в мультимедийной технологии. В них появилась качественно новая технология: начали вне­дряться инструкции SIMD (Single Instruction Multiply Data), в которых одно и то же действие совершается над многими данными. Более дешевый вариант Pentium II – Celeron (с отсутствующим либо урезанным до 128 Кбайт кэшем 2-го уровня).

В МП Pentium III присутствует новый блок 128-разрядных регистров, что позволило осуществить расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). Увеличен кэш 2-го уровня. Pentium III Xeon — процессоры, позиционированные для серверов.

В Pentium 4 улучшена система «динамического исполнения».

Динамическое исполнение позволяет про­цессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи техноло­гии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохожде­ние программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на не­сколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанали­зировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций независимо от порядка их следования в тексте программы. И, на­конец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы за счет выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожи­даемой последовательности — то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвле­ний, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалени­ем тех, которые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального.

Технология ускоренных вычислений использует два быстрых АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции, и третье медлен­ное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.).

Используется технология Hyper Treading (tread- поток) – на базе одного МП формируются 2 или более логических процессоров, работающих параллельно. Для задач, позволяющих распараллеливать операции, производительность МП повышается на 30 %.

По мнению специалистов, повышение быстродействия МП путем увеличения тактовой частоты их работы исчерпало себя. Поэтому производительность было решено увеличивать за счет параллельного выполнения вычислений. Появляются многоядерные МП.

---

Первым представителем двухъядерных МП для ПК в 2005 г. стал PentiumD.

Двухъядерные МП по сравнению с параллельными виртуальными процессорами обеспечивают существенно большую производительность, т. к. у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-память L1 у каждого свои). Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более высокочастотных однопроцессорных МП той же производительности. Поэтому двух- и многоядерные МП активно используются в ПК. Для двухъядерных МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами.

В феврале 2005 г. компаниями Sony, Toshiba и IBM представлены девятиядерные МП Cell (ячейка). В них используется 0,09 мкм-технология, а также достижения электроники: «кремний на изоляторе» (SOI), «напряженный кремний» (StrainedSi), медные соединения (Cu). Имеют очень низкое энергопотребление (до 80 Вт).

В 2006 г. Intel представила линейку МПCore:

• Core Solo (1 ядро),
• Core Duo, Core 2 Duo, Core 2 Extreme (2 ядра),
• Core 2 Quad (4 ядра),
• Core Penryn (2-4 ядра)

Все МП этой линейки строятся по 65-нанометровой технологии, используют ряд новых энергосберегающих технологий.

В 2008 г. Intel предложила 0,045-микронную архитектуру Nechalem– она использует при построении МП модульность, которая позволяет варьировать количество ядер в МП и изменять насыщенность процессорной системы прочими блоками, в зависимости от назначения и требуемой производительности.

Используют эту архитектуру МП Corei5 иCorei7.Corei5 является несколько облегченным вариантомCorei7. МП Core i3 — по уровню цены и производительности стоят на самой низкой ступени, перед более дорогими и производительными Core i5.

Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры типа RISC содержат только набор простых, чаще всего встре­чающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП все простые команды имеют одинаковый размер и на выполнение ка­ждой из них тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта).

Современные 64-разрядные RISC-микропро­цессоры выпускаются многими фирмами: Apple (PowerPC), IBM (PPC), DEC (Alpha), HP (PA), Sun (Ultra SPARC) и т. д.

Микро­процессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении про­грамм, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать (мо­делировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.

---

Микропроцессоры типа VLIW

Это новый и весьма перспективный тип МП. Микропроцессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta — это микропроцессор Crusoe моделей ТМ3120, ТМ5400, ТМ5600, Intel — модель Mersed (торговая марка Itanium) и Hewlett-Packard — модель McKinley.

К VLIW-типу можно отнести и МП Elbrus 2000 — E2k, разработанный российской компанией «Эльбрус».

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансля­цию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. МП типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных мик­ропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и по­требление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).

Микропроцессоры типа MISC

MISC (minimum instruction set command) – процессор, работающий с минимальным набором длинных команд.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом, процессор получил возможность обрабатывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

Процессор MISC характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIM 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 VLIM концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

Физическая и функциональная структура микропроцессора

В состав микропроцессора Pentium обычно входят следующие физические ком­поненты:

• Core — ядро МП;
• Execution Unit — исполняющий модуль;
• IntegerALU— АЛУ для операций с целыми числами (с фиксированной за­пятой);
• Registers — регистры;
• Floating Point Unit — блок для работы с числами с плавающей запятой;
• Primary Cache — кэш первого уровня, в том числе кэш данных (Data Cache) и кэш команд (Code Cache);
• Instruction Decode and Prefetch Unit и Branch Predictor — блоки декодирова­ния инструкций, опережающего их исполнения и предсказания ветвлений;
• Bus Interface — интерфейсные шины, в том числе 64- и 32-битовая шины, и вы­ход на системную шину к оперативной памяти (То RAM).

---