Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Общая характеристика).pdf

Intel^® Device Protection Technology with Intel^® Secure Key. Дополнительное расширение по безопасности программной среды.

Intel^® Transactional Synchronization Extensions – New Instructions (Intel^® TSX-NI). Дополнительный набор инструкций для ускорения вычислительных процессов.

Execute Disable Bit. Позволяет памяти помечаться как не исполняемой, т.е. не используемой для работы операционной системы. Такая функция может предотвратить доступ вредоносного кода к памяти.

Intel^® Secure Key. Дополнение в виде инструкции RDRAND, выполняющей генерацию случайного числа.

PCLMULQDQ инструкция, класса инструкций SIMD, которая вычисляет 128-битное значение двух 64-битных операндов. Данное расширение - существенный компонент реализации криптографических систем и стандартов.

Hyper Threading Technology. Данная технология позволяет одному физическому ядру процессора функционировать как два логических. Тем самым, обеспечивается многозадачность в одном потоке.

Intel^® Software Guard Extensions (SGX). Расширение для защиты памяти. Данная технология является одной из ключевых в безопасности программного обеспечения. Intel^® SGX реализация основана на использовании программного кода в защищенной области памяти, называемой Enclave. Код из области Enclave может быть доступным посредством использования специального ISA. Функциональный блок SGX шифрует Enclave память, тем самым защищая ее от различного рода хакерских атак.

Intel^® Memory Protection Extensions (Intel^® MPE). Технология, регулирующая доступ к памяти, путем создания границ. Особое значение Intel^® MPE имеет в сфере объектно-ориентированного программирования.

Intel^® Image Signal Processor (Intel^® ISP). Процессор сигнальной обработки изображения. Применяется для обработки изображений получаемых от цифровой видео камеры.

Intel MMX^TM. Это технология концепции (класса) SIMD, определяющая инструкции процессора для операций над числами длиной 64-бита.

Совокупность перечисленных технологий является индивидуальной особенностью процессоров Intel. Их реализация основана путем внедрения дополнительных функциональных блоков в виде регистров и контролеров в компонентную базу процессоров.

Процессоры AMD

Большинство современных процессоров AMD базируются на архитектурах имеющих следующие кодовые названия:

• Bobcat – 14h.
• Bulldozer – 15h. Базовая архитектура, на основе которой, создана новая версия с кодовым названием Piledriver(Trinity);
• Jaguar, Puma Family – 16h;
• Zen – 17h.

---

Процессоры с реализацией архитектуры Bobcat продолжают оставаться на рынке, однако в компании наблюдается снижение производства процессоров данной архитектуры. Поэтому мы рассмотрим наиболее актуальные 15h, 16h и 17h.

Рисунок №8 дает нам информацию о марках процессоров AMD для настольных ПК.

Таблица 2. Процессоры AMD

Семейства процессоров для настольных ПК

AMD Pro A^ТМ

RYZEN^ТМ

ATHLON^ТМ

FX^ТМ

Серии

• 4,6,7,8;
• 10-76**;
• 10-78**;

Серии:

• 3: 1200, 1300;
• 5: 1400, 1500, 1600;
• 7: 1700, 1700X, 1800.

Серии:

• X4;
• 5000

Серии:

8: 120, 300, 320E, 350, 370E.

Серии: X, S, 3000, 4000, 6000

AMD OPTERON^ТМ

AMD SEMPRON^ТМ

Серии: 2650, 3850

Архитектура 16h представляет особый интерес. Процессоры на ее основе реализуют дополнительное архитектурное решение, такое как APU (Accelerated Processor Unit) процессор – модель процессора, в которой кристалл чипа состоит из центрального и графического процессора. Мы уже познакомились с подобной архитектурой в главе 2.1 при изучении процессоров Intel. Таким образом, в сфере графических вычислений, компания AMD предлагает пользователям несколько решений:

• Графический процессор выполнен в отдельном чипе, и включен в архитектуру платформы.
• Видеокарта. Графический процессор с собственной оперативной памятью (видеопамять);
• Объединение с центральным процессором – гибридные процессоры. Общее название такой реализации AMD Fusion (APU);

На рисунке 8 приведена обобщенная структура процессора на базе архитектуры 15h. Каждый процессор представляет собой так называемый “package” (дословно с англ. – пакет, упаковка) в который входит 1 и более узлов (Nodes).

Рисунок 8. Блок-диаграмма процессора с одним узлом

Узел – это интегрированная схема, которая включает в себя:

• 1-4 вычислительных устройств (Compute Unit)), по 2 ядра на каждое устройство. Каждое вычислительное устройство состоит из компонентов:
  • Исполнительное устройство (x86 Execution Unit) x86;
  • MSR регистры - Model-Specific-Register. Регистры управления ядром процессора;
  • Контроллер прерываний APIC (Advanced Programmed Interrupt Controller). Обеспечивает прямой обмен данными между устройствами ввода/вывода и ядром процессора;
  • Контроллер памяти (DC – DRAM Controller).
• Свыше 4-х высокоскоростных интерфейсов HyperTransport^ТМ – двунаправленная высокоскоростная шина;
• Интерфейс для соединения с системной памятью;
• «Северный мост» (NorthBridge);

---

Архитектура 15h позволяет реализовать конфигурации Dual-Node (двойной узел). Такая конфигурация является наиболее подходящим решением для обеспечения работы серверов. На рисунке 9 изображение конфигурации Dual-Node.

Рисунок 9. Конфигурация из 2-х узлов процессора 15h

В каждый узел входит 4 комплекса, по 2 ядра на каждый, кэш-память L2. На каждый узел предназначено по одному чипу North Bridge.

Архитектура платформы на базе процессора AMD аналогична платформе на базе процессоров Intel и характерна для большинства современных платформ (рисунок 10). Процессор подключен к трем компонентам платформы – системная память, DDI (Digital Display Interface) и FCH.

Рисунок 10. Блок-диаграмма платформы на базе процессоров AMD

Процессоры поколения 16h (Jaguar) реализованные в марках Athlon и Opteron, разработаны на основе концепции «Системы на Кристалле» (SoC) и APU. Структура данной архитектура изображена на рисунке 11.

Процессоры архитектуры 16h APU включают в себя следующие компоненты

• Вычислительное устройство:
  • Ядро x4;
  • Кэш-память L2(Level 2);
  • L2 interface;
• «Северный мост» (“NorthBridge”) - интегрированный контролер памяти. Реализует функции:
  • Доступ к памяти для устройств:
    • CPU и GPU ядра;
    • Ввода/вывода;
  • Маршрутизация транзакций;
• Контролер памяти DDR;
• Fusion Controller Hub (FCH).

В некоторые процессоры архитектуры 16h, семейства A8, A10 серий также входит интегрированное графическое ядро.

Рисунок 11. Блок-диаграмма процессоров APU (16h)

Данная схема процессора не является окончательной. В конфигурации для настольных ПК (марки Athlon, Opteron) компонент FCH (Fusion Controller Hub) – контролер ввода/вывода «Южный мост» располагается в отдельном чипе.

Компания AMD придерживается определенной концепции в представлении информации о своей продукции. Технические спецификации содержат описание структуры и функций, которые поддерживаются большинством процессоров. Конкретную конфигурацию и наличие того или иного компонента возможно определить преимущественно средствами программного обеспечения.

Семейства процессоров архитектуры 17h представляют собой «Систему на кристалле» (SoC). На рисунке 12 отображена общая структура процессоров архитектуры 17h. Ключевыми компонентами являются:

---

Рисунок 12. Блок-диаграмма архитектуры 17h

• CPU Core Complex (CPU CCX). Каждый комплекс состоит из набора Ядро (x4), 512KiB L2 и 2MiB L3 общей кэш-памяти;
• Scalable Data Fabric. Обеспечивает соединение CPU CCX, Input/Output и DRAM интерфейсами. Выполняет функции запроса, ответа и транспортировку данных между устройствами с указанными интерфейсами.
• 2 контроллера памяти UMC (Unified Memory Controller). Каждый контроллер поддерживает один канал связи с DRAM;
• NBIO North Bridge I/O – в виде IOMMU.
• FCH (Fusion Controller Hub). На схеме имеет обозначение SCH.
• Azalia. Управление устройствами ввода/вывода аудио данных.
• Ethernet Complex. Элемент управления сетевыми устройствами, функционирующих на основе стандартов пакетной передачи данных в вычислительных сетях Ethernet;
• PHYs muxing. Компонент процессора, обеспечивающий ввод/вывод устройств SATA, xGMI, PCI, Ethernet.
• USB 3.0 интерфейс.
• UMC (Unified Memory Controller) – контролер доступа процессора к системной памяти. В каждый процессор входит два UMC компонента. Каждый UMC обслуживает один физический канал (шину) DDR4.

Следует добавить, что графическое ядро в реализации архитектуры 17h отсутствует.

В процессорах AMD реализована поддержка проприетарной технологии много поточности AMD HyperThreading^ТМ (AMD HT^TM) которая обеспечивает повышение производительности процессора, позволяя запускать одновременно несколько потоков инструкций на каждое ядро. Также, процессоры 15h, 16h, 17h поддерживают наборы инструкций, SIMD (SSE1,SSE2,SS3,SSE4a,SSE4.1, SSE4.2.), AVX, собственную реализацию инструкций криптографического стандарта AES (Advanced Encryption Standart), функция реализации криптографического алгоритма SHA (Secure Hash Algoritm – безопасный алгоритм хеширования). Компания AMD в разработке процессоров придерживается концепции RAS (Reliability, Availability and Serviceability) – надежность, доступность и удобство обслуживания. The Machine Check Architecture («Машина проверки архитектуры») - совокупность программно-аппаратных методов с помощью которых системное программное обеспечение получает информацию о состоянии процессора, а также обнаруживает и исправляет ошибки. Ключевыми моментами являются состояние температуры процессора, состояния регистров разных блоков и др. Для реализации данных возможностей, в процессоры AMD включены дополнительные функциональные блоки.

Процессоры семейства Ryzen, одного из последних семейств процессоров AMD, реализованы на базе архитектуры 17h (Zen).

Рассмотрим модель исполнительного блока – ядра, процессоров 17h, структура которого изображена на рисунке 13.

---

Рисунок 13. Блок-диаграмма ядра процессора 17h

В состав ядра входят следующие компоненты:

• Блок управления
  • Предсказатель переходов (Branch Prediction). Устройство, определяющее наличие события для условного перехода. Участок программы, хранящейся в памяти по определенному адресу, в начале запуска программы поступает в регистры процессора. Далее следует последовательное исполнение инструкций. Предсказатель переходов позволяет менять ход исполнения программы и «переходить» к исполнению кода, в зависимости от логики работы программы. В программировании это тесно связано с операторами условных переходов.
  • 64K ICACHE – кэш-память размером 64 килобайта для хранения инструкций;
  • Decode – устройство декодирования инструкции. Определяет тип операции (для примера умножение, сложение) и тип данных – целое число или число с плавающей точкой, для отправки на следующий этап обработки.
  • Micro OP Queue - очередь микроопераций. Исполнение регулярно поступающих инструкций организовано по принципу очереди (чаще всего на основе принципа FIFO – First-Input-First-Output).
  • Op Cache. Кэш-память. Используется для хранения предыдущих декодированных инструкций.
• Блок операций над целыми числами (Integer):
• Блок операций над числами с плавающей запятой (FPU)
• Устройство загрузки/хранения. Позволяет исполнять операции загрузки и сохранения данных между процессором и системной памятью.

Компоненты Integer и FPU имеют функциональные элементы так называемого математического сопроцессора:

• Rename. Вспомогательное устройство для устранения ложных зависимостей данных. Для понимания зависимости данных, рекомендуется обратиться к руководствам по программированию для процессоров AMD, доступным для свободного скачивания на официальном сайте AMD.
• Scheduler. Устройство управления операциями. Получает на входе более 6-ти макро операций, которые в свою очередь делятся на микрооперации.
• Register File. Массив дополнительной сверхбыстрой памяти;

а также ALU, AGU, ADD, MUL компоненты. АЛУ (ALU) – арифметико-логическое устройство. В ALU входят функциональные блоки для выполнения операций сложения, умножения, битовые операции (арифметический сдвиг). АГУ (AGU, иногда ACU) – устройство вычисления адреса, используемое для доступа (получения) данных из системной памяти. Как видно из схемы, основные вычислительные блоки состоят из устройств выполняющих операции сложения и умножения.

---