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

10. На аккумулятор передаётся содержимое буферного регистра данных центрального процессора.

11. На буферный регистр адреса центрального процессора посылается содержимое посылается второй адрес операнда команды.

12. На буферный регистр адреса запоминающего устройства посылается содержимое буферного регистра адреса центрального процессора.

13. Из запоминающего устройства происходит выборка данных по адресу второго операнда команды и передача его на буферный регистр адреса запоминающего устройства.

14. На буферный регистр данных центрального процессора подаётся содержимое буфера регистра данных запоминающего устройства.

15. На арифметико-логическое устройство посылается содержимое буферного регистра данных центрального процессора.

16. Расшифровка кода операций и подача кода на схему выработки.

17. Выполнение операций в арифметико-логическом устройстве.

18. Результат арифметическо-логического устройства записывается в запоминающие устройство по второму адресу.

19. В запоминающие устройство по адресу второго операнда команды записывается содержимое буферного регистра данных запоминающего устройства.

20. На буферный регистр данных запоминающего устройства посылается содержимое буферного регистра данных центрального процессора.

21. На буферный регистр данных центрального процессора посылается содержимое арифметико-логического устройства.

22. Изменить счётчик адреса команд.

23. Возврат на первый шаг если не возникла команда "Конец работы".

Система команд процессора Intel 8086 насчитывает более 10 разнообразных форматов команд, отличающихся как длиной формата (машинная команда может занимать от 1 до 6 байт, не считая возможных предшествующих ей префиксов), так и распределением полей в отдельных байтах команды.

Используются 3 вида префиксов (префиксных байтов), которые предшествуют команде и определенным образом влияют на ее выполнение.

К префиксам относятся:

1) seg – префикс замены сегмента;

2) rep – префикс повторения;

3) lock – префикс блокировки шины.

1) Префикс замены сегмента используется для переназначения стандартных сегментов, используемых по умолчанию при обращении к памяти за операндом и (или) при записи результата.

Адрес переназначения сегмента занимает 2 средних бита в префиксном байте

2) Префикс повторения используется исключительно перед командами обработки строк и заставляет повторять ее выполнение многократно в целях поэлементной обработки всей строки.

---

Использование префикса rep позволяет организовывать цикл по последовательной обработке элементов строки на аппаратном, а не на программном уровне.

3) При выполнении команды с предшествующим ей префиксом lock на все время выполнения команды блокируется шина, связывающая процессор с памятью и портами ввода-вывода.

Действие любого префикса распространяется только на одну машинную команду, которая следует непосредственно за ним.

Форматы команд

1. Однобайтная безадресная команда:

Подобный формат используется либо командами с неявной адресацией, либо командами, не использующими операндов.

Примерами команд первого типа могут служить команды обработки строк, в которых строка–источник и строка-приемник неявно адресуются с использованием регистров SI и DI соответственно.

К ним относятся:

MOVS – пересылка строки,

LODS – загрузка строки,

STOS – запись в память строки,

CMPS – сравнение строк,

SCAS – сканирование строки.

2. Однобайтная одноадресная команда

ОрС W REG

_{7 4 3 2 0}

Рис.2.2 . Однобайтная одноадресная команда

Эта команда задает прямой адрес регистрового операнда (поле reg). Бит w задает длину операнда (1 – слово, 0 – байт).

1. Двухадресная команда с постбайтом адресации

Рис.2.3. Двухадресная команда с постбайтом адресации

Бит d кода операции (direction - направление) определяет, по какому адресу записывается результат операции (при d = 1 – в регистр reg, при d = 0 – в регистр или память, адресуемые полем r/m).

Подобный формат широко используется для разнообразных арифметических и логических команд.

1. Одноадресная команда с постбайтом адресации

Рис.2.4. Одноадресная команда с постбайтом адресации

В отличие от предыдущего формата, среднее поле постбайта адресации является расширением кода операции (Е – Extended).

Подобный формат используется, во-первых, для однооперандных команд (например, INC, DEC, NEG – negative – изменение знака, NOT – инвертирование) и, во-вторых, для двухоперандных команд, в которых один из операндов адресуется неявно (например, MUL/IMUL – умножение, DIV/IDIV – деление, в которых один из операндов является аккумуляторным, а также команды сдвигов, в которых счетчик числа сдвигов адресуется неявно регистром CL).

На рис. 2.5 приведена схема работы центрального процессора.

---

Рис.2.5. Схема работы центрального процессора

Где:

ВШУ, ВШД - внутренняя схема управления, данных;

РОН - регистр общего назначения;

АЛУ - арифметико-логическое устройство;

А - аккумулятор;

БВПК - блок восстановления последовательности команд;

сх1...схN (N=2ⁿ) - схемы выработки управляющего сигнала (не регистр);

ДшОп - Дешифратор операций;

УВПК - устройство восстановления последовательности команд;

А₁, А₂ - операнды;

Рез - Результат операции;

Вып - флажок выполнено/не выполнено;

РгКв - регистр команд (выход);

КОп - Код операции;

УУ - устройство управления;

РгК - регистр команд;

КОп - Код операции;

БРК - блок распределения команд;

УРК - устройство распределения команд;

СчАК - счетчик адреса команд (+δ - прибавляет по байту);

БРА, БРД - буферные регистры адреса, данных;

ЗУ - запоминающее устройство;

БРА_ЗУ, БРД_ЗУ - буферные регистры адреса, данных запоминающего устройства;

Согласно данной схеме Рабочий цикл Центрального процессора имеет следующий вид

Шаги 1-5: MOV(СчАК,РгК _i);

Шаги 6-10: MOV(А₁,РгК[А₁] _i);

Шаги 11-15: MOV(А₂,РгК[А₂]_i);

Шаг 16: PARBEGIN

16.1: УРК(РгК_i,РгКАЛУ_i);

16.2: ДшОп(РгК_i-1);

16.3: выполнение Оп _i-2;

16.4: УВПК(РгКв_i-3);

PAREND;

Шаги 17-22: MOV(РгКв[Рез]_i-4,[А₂]);

Шаг 23: СчАК + δ;

Шаг 24: → Шаг 1.

Где:

Оп - операция;

MOV - "проход", введено для сокращения, каждый MOV означает 5 соответствующих шагов:

1. БРА := А₁;

2. БРА_ЗУ := БРА;

3. БРД_ЗУ := [БРА_ЗУ];

4. БРД := БРД_ЗУ;

5. [А₂] := БРД.

- то, что стоит в кв. скобках [] означает, что берется не А₂, а значение по адресу А₂;

- индексы i-1, i-2, i-3 и т.д. означают, что берется предыдущая команда; предпредыдущая и т.п. (которая уже прошла обработку на предыдущем блоке);

-шаги алгоритма 16.1, 16.2, 16.3 и 16.4 выполняются ПАРАЛЛЕЛЬНО

процессор модель кэш-память команда

3. Основные характеристики центральных процессоров

3.1 Процессоры семейства AMD Ryzen

AMD Ryzen второго поколения кардинально изменили табель о рангах современных процессоров, причём в большей степени это касается чипов высшего класса, адресованных энтузиастам. Четыре новых модели поступили в продажу ещё весной 2018 года, но даже сейчас, после выхода Intel Core i9 9900K, флагманский AMD Ryzen 7 2700X выглядит не таким уж отстающим, к тому же он в два раза дешевле.

---

Чипы 2000-й серии с кодовым названием Pinnacle Ridge построены на тех же самых ядрах с архитектурой Zen, что и чипы первого поколения Summit Ridge, при этом техпроцесс стал более тонким, изменившись с 14-нм норм на 12-нм нормы, и такие ядра получили официальное название Zen+. В семейство вошли две восьмиядерные шестнадцатипоточные модели серии Ryzen 7 и две шестиядерные 12-поточные модели серии Ryzen 5. Ryzen второго поколения поддерживают работу с оперативной памятью частотой до DDR4-2933, в то время как конкурирующие чипы Intel Coffee Lake всё ещё штатно работают только с DDR4-2666.

Все чипы оснащаются "умной" технологией обучения и адаптации AMD SenseMI и комплектуются фирменным кулером семейства Wraith, который у серии 7 дополнительно оснащён светодиодной подсветкой. Ryzen 7 2700X c теплопакетом 105 Вт штатно комплектуется кулером Wraith Prism со светодиодной подсветкой, который состоит из радиатора с четырьмя тепловыми трубками прямого контакта и вентилятора с тремя независимыми зонами RGB-подсветки, переключаемыми профилями охлаждения и уровнем шума до 39 дБ(А).

В процессорах Ryzen второго поколения реализованы улучшенные функции Precision Boost 2 (динамическое масштабирование напряжения и частоты, аналог Turbo Boost от Intel) и XFR (eXtended Frequency Range — "расширенный частотный диапазон"), входящие в состав технологии SenseMI.

Новая версия Precision Boost 2 всегда ориентирована на повышение тактовых частот, даже при задействовании всех ядер, причём шаг изменения частоты составляет всего 25 МГц. В Precision Boost 2 принимается во внимание не только число занятых ядер и потоков, но и запас по температуре, по силе тока и максимально возможная тактовая частота. Тем самым она позволяет повышать позволяет тактовые частоты на 500 МГц при многопоточных нагрузках, а если потенциал системы охлаждения позволяет, то XFR2 обеспечит ещё до 7% прироста частоты. Тем самым мы получаем более высокую многопоточную производительность в более широком круге задач.

Наконец, с выходом Ryzen второго поколения не нужно задумываться о проблемах совместимости: несмотря на выпуск новой системной логики X470, все Ryzen 2000-й серии, включая Ryzen 7 2700X, полностью совместимы с платами на 300-х чипсетах.

Микроархитектура Zen, изначально сильная в многопоточных вычислительных задачах, наконец-то стала на равных конкурировать с Core и в игровых приложениях. И если в тестах с разрешением 1080p ещё можно зафиксировать минимальное отставание (буквально в 1-2 кадра в секунду), то при перехода не 1440p или 4K какая-либо разница отсутствует в принципе.

В тестах на продуктивность Ryzen 7 2700X опережает любой процессор в своей ценовой категории: в многоядерном бенчмарке Cinebench он на 31% быстрее, чем Core i7 8700K и лишь однопоточные задачи традиционно лучше удаются чипам от Intel, в том числе и благодаря более высоким рабочим частотам.

---

Однако энергоэффективность явно не относится к сильным сторонам Ryzen второго поколения, Ryzen 7 2700X под нагрузкой опережает всех сегодняшних конкурсантов. Более того, даже в режиме простоя оба Ryzen потребляют почти на 20 Вт больше, чем системы на платформе Intel.

Ryzen 7 2700X выигрывает порядка 1000 рублей по цене по сравнению с Intel Core i7 8700K, а если учесть, что он укомплектован превосходным кулером Wraith Prism производства Cooler Master, то преимущество составит ещё почти 3000 рублей. Наконец, более совместимая платформа AM4, которую в AMD обещают сохранить как минимум до 2020 года, делает "райзены" ещё более привлекательными для тех, кого не радует перспектива менять материнские платы с каждым очередным обновлением процессоров.

3.2 Процессоры семейства Intel Core i7

После появления Sandy Bridge все последующие массовые процессоры Intel стали штамповаться по одной и той же схеме. Четыре вычислительных ядра, встроенный графический ускоритель и системный агент объединялись в один комплекс при помощи неизменной кольцевой шины. При этом в них, конечно, вносились какие-то изменения на уровне микроархитектуры, но никаких глобальных переделок не проводилось. Основным стержнем происходящего прогресса было элементарное увеличение плотности полупроводниковых кристаллов, происходящее за счёт перевода производства на всё более «тонкие» техпроцессы. В результате если сопоставить Kaby Lake и Sandy Bridge, то получится, что конечным итогом последовательной смены 32-нм на 22-нм и впоследствии на 14-нм нормы стало 42-процентное уменьшение площади процессорного кристалла при троекратном увеличении числа транзисторов.

На низком уровне в новых процессорах нет почти ничего: основная масса структурных блоков Coffee Lake без каких-либо изменений перенесена из прошлых дизайнов. То есть главное, что реализовано в новых массовых процессорах Intel, – это высокоуровневое изменение общего строения, заключающееся в увеличении количества вычислительных ядер с четырёх до шести штук. Если же говорить о показателе IPC (числе исполняемых за такт инструкций) и об удельной производительности на ядро, то в этих параметрах никаких перемен не произошло. Вычислительные ядра Coffee Lake полностью аналогичны ядрам Kaby Lake.

Небольшие технические изменения можно найти лишь в контроллере памяти. Новые массовые процессоры Intel получили официальную поддержку DDR4-2666 SDRAM и по этому параметру сравнялись с предложениями конкурента. Впрочем, как и раньше, контроллер памяти Coffee Lake обладает завидной гибкостью, что позволяет разгонять частоту памяти до существенно более высоких, чем обещается в спецификациях, значений.

---