Что такое архитектура процессора?
С появлением электронно-вычислительных машин произошла лишь одна, по-настоящему крупная революция и прогресс в технологиях. Так, на смену старым, вакуумным лампам пришли новые, полупроводниковые технологии, которые навсегда отпечатались в современной электронике. Сегодня, большинство мобильных устройств работают на всё тех же, но совершенно доработанных полупроводниковых изобретениях – процессорах. Сейчас мы расскажем, что такое архитектура процессора и для чего она нужна.
Архитектурой называют совокупность главных принципов конструирования процессора, в которой общая схема располагается на кремниевом кристалле, а также схему взаимодействия ПО вместе с чипом. Простыми словами, архитектурой называют схему, по которой собран процессор.
За всё время существования микропроцессорной техники, было множество различных видов архитектур. Наиболее популярными являются CISC, MISC, VLIW и RISC. Отличия между ними заключаются лишь в том, как они взаимодействуют с данными, которые поступают к процессору, и которые из него исходят.
Схема работы архитектуры процессора несколько сложнее. Так, данные в схеме обрабатываются последовательным путем. К примеру, в начале, процессор получает инструкцию, затем производит чтение данных, после производит необходимые вычисления, а в конце выдает полученный результат. Но, это всё очень абстрактно, на самом деле, работа микропроцессора куда сложнее.
Количество таких процессов и операций может достигать десятки тысяч. Естественно, в процессе всего этого могут возникать ошибки, но чем меньше их будет, тем качественнее и стабильнее будет работать система. Существенно меньше ошибок происходит в процессорах с архитектурой RISC. В ней предусмотрены намного более простые команды, которые улучшают производительность в целом.
Также не следует путать понятия архитектуры и микроархитектуры процессора, это несколько разные определяющие. Так, архитектурой называют принцип устройства микропроцессора, микроархитектурой лишь 1 из способов её реализации, в котором есть собственные особенности.
Одной из самых известных серий архитектур, считается «Cortex». В первых смартфонах присутствовала архитектура Cortex А7, которая сегодня считается устаревшей. Наиболее производительными сегодня считаются Cortex А72 и А73. Компания Apple в своих устройствах использует модифицированную архитектуру ARMv8.
План
1. Архитектуры процессоров.
1.1. RISC.
1.2. CISC.
1.3. Параметры процессоров.
1.4. Процесс производства.
1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
Процессор, или более полно - микропроцессор, часто
называемый ЦПУ (CPU - central processing unit), является
центральным компонентом компьютера. Это разум, который
прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри
компьютера.
Когда фон Нейман впервые предложил хранить после-
довательность инструкций, так называемые программы, в той
же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея.
Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в
1945 г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы-
рех основных частей: центрального арифметического устрой-
ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств
ввода/вывода.
Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую
архитектуру.
Каждый микропроцессор имеет определенное число эле-
ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес-
кое устройство (АЛУ) и устройство управления.
Регистры используются для временного хранения вы-
полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан-
ных и другой внутренней информации микропроцессора.
В АЛУ производится арифметическая и логическая, об-
работка данных.
Устройство управления реализует временную диаграм-
му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап-
паратурой через внешние шины микропроцесс ера.
На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров. Они различается принци-
пами построения архитектуры процессора. Накоолее распрос-
траненными являются архитектуры RISC и CISC.
1.1. RISC
Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction
Set Computers) используют сравнительно ызболылой (со-
кращенный) набор наиболее употребимых ком ад, определен-
ный в результате статистического анализа большого числа про-
грамм для основных областей применения CISC-процессоров
исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и
имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняет-
ся с помощью специальных команд загрузки регистра и запи-
си. Простота структуры и небольшой набор к J панд позволя-
ют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эф-
Процессор 269
фективный конвейер при небольшом объеме оборудования.
Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень
дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить так-
товую частоту (а значит, и производительность) компьютера;
чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе
работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-про-
цессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех
возможностей ускорения арифметических операций, поэто-
му их конвейеры обладают значительно более высоким бы-
стродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-про-
цессоры в 2-4 раза быстрее имеющих ту же тактовую час-
тоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более
высокопроизводительны, несмотря на больший размер про-
грамм. RISC-архитектура построена на 4 основных прин-
ципах:
1. Любая операция должна выполняться за один такт,
вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное коли-
чество наиболее часто используемых простейших инструкций
одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в
формате «регистр - регистр» (операнды выбираются из опе-
ративных регистров процессора, и результат операции запи-
сывается также в регистр; а обмен между оперативными реги-
страми и памятью выполняется только с помощью команд за-
грузки/записи).
4. Состав системы команд должен быть удобен для ком-
пиляции операторов языков высокого уровня.
Усложнение RISC-процессоров фактически приближает
их архитектуру к CISC-архитектуре.
В настоящее время число процессоров с RISC-архитек-
турой существенно возросло и все ведущие фирмы США их
производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производи-
тели основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.
1.2. CISC
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex
Instruction Set Computers - архитектура вычислений с полной
системой команд) реализуют на уровне машинного языка ком-
плексные наборы команд различной сложности, от простых,
характерных для микропроцессора первого поколения, до
очень сложных. Большинство современных процессоров для
персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.
В последнее время появились гибридные процессоры,
которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобра-
зовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются
ядром процессора.
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит
в направлении более совершенного управления машинными
ресурсами, а также в направлении сближения машинных язы-
ков с языками высокого уровня.
В то же время сложная система команд и переменный
формат команды процессором с CISC-архитектурой привели
к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 со-
держал 29 тыс. транзисторов, 80 386 - 275 000, Pentium -
3 100 000, Pentium 4 - 42 млн транзисторов. Для того чтобы
такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энер-
гопотреблением и размещаться на ограниченной площади, про-
изводители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже
достигнут уровень 0,09 мкм.
1.3. Параметры процессоров
Структуры различных типов процессоров могут существен-
но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее
важными параметрами являются архитектура, адресное простран-
ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд-
ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос-
новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис-
пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные
МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис-
пользовали последовательный принцип выполнения команд,
при котором очередная операция начинается только после
выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной
архитектурой используются принципы параллельной работы,
при которой одновременно с выполнением текущей команды
производятся предварительная выборка и хранение последу-
ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу-
ется конвейерный метод выполнения команд, при котором
несколько внутренних устройств МП работают параллельно,
производя одновременно обработку нескольких последова-
тельных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разряд-
ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз-
рядных МП адресные регистры обычно составляются из
двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину,
адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра-
вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад-
ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются
24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ
до 4 ГБ памяти.
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП
имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов-
падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе-
мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш-
ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд-
ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных.
Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име-
ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют
собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП
и обладают практически той же вычислительной мощностью.
Одним из важных параметров МП является тактовая
частота его работы и работы системной шины, которая обыч-
но задается внешними синхросигналами. Для современных про-
цессоров стандартными являются частоты системной шины
66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы-
полнение простейших команд (например, сложение двух опе-
рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах
МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль-
сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные
команды требуют для выполнения до 10-20 периодов такто-
вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в
памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе-
рандов в регистры и запись результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой
частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой
системой прерываний.
В соответствии с законом Мура (сформулированным в
1965 г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU
удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев.
Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лег.
270 Информатика
Однако законы физики ограничивают разработчиков
в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты
растут каждый год, это не может дать того прироста произ-
водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин-
женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы-
полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в
расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про-
цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы-
полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают
эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних
процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке
уже 64-разрядные.
1.4. Процесс производства
Кремний или силикон - это основной материал для про-
изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса-
жен добавками по специальной маске, становится транзисто-
ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс
подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере-
секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна
иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект
налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка
ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас - 8 дюймов. На
следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые
пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль-
ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно
из одной пластины делается много процессоров.
Электрическая схема состоит из разных материалов.
Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона
изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется
открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания
транзисторов - .это и называется присадкой.
Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность
пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются
вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором,
на который проектируется образ требуемых деталей. После
экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав-
ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило
вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство-
рителем.
Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного
создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером
в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин-
ка. Такая пьиинка может быть размером от микрона до ста - а
это в 3-300 раз больше детали. Микропроцессоры произво-
дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль-
ные защитные костюмы.
В прежние времена производство полупроводников при-
водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50%
работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на-
много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый
слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от-
мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде-
ляются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-
корпус (Pin Grid Arrays) - керамический прямоугольник с
рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство
людей принимают за процессор.
Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень-
шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод-
няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что
Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз-
мером 14×20 см и был бы медленным - быстрые транзисто-
ры малы. Большинство процессоров сегодня используют
0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик-
ронный процесс.
Введение
3. Переход к двуядерным процессорам
4. Виртуализация
5. Кратко о некоторых других технологиях
6. Будущие технологии
Библиографический список
Введение
Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.
Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).
Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.
В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора, составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.
Рисунок 1 – принципиальная схема процессора
Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.
Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.
Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.
Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.
Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.
Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.
Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.
Блок шины - служит для ввода и вывода информации.
Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst.
В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.
Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.
Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).
С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).
В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.
Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь - для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE - значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет - будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем таблицу, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.
Таблица 1
Сравнение основных наборов команд
| Процессор | MMX | EMMX | 3DNow! | SSE | E3DNow! | SSE2 | SSE3 |
| Intel Pentium II | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Celeron до 533 MHz | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Pentium III | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Celeron 533-1400 MHz | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Pentium 4 | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Celeron от 1700 MHz | + | - | - | + | - | + | - |
| Intel Celeron D | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium 4 eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Pentium eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium D | + | - | - | + | - | + | + |
| AMD K6 | + | + | - | - | - | - | - |
| AMD K6-2 | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD K6-III | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD Athlon | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Duron до 900 MHz | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Athlon XP | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Duron от 1000 MHz | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Athlon 64 / Athlon FX | + | + | + | + | + | + | +/-* |
| AMD Sempron | + | + | + | + | + | +/-* | +/-* |
| AMD Athlon 64 X2 | + | + | + | + | + | + | + |
| VIA C3 | + | + | +/-* | +/- | - | - | - |
* в зависимости от модификации
В 1970г. доктор Маршиан Эдвард Хофф с командой инженеров из Intel сконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае, так принято считать – хотя на самом деле еще в 1968 году инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLF для бортового компьютера истребителя F-14. Первый процессор работал на частоте 750 кГц. Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз
Тактовая частота – это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Еще недавно этот показатель был для пользователей не то, что самым важным – единственным значимым! Многие пользователи пытались «разогнать» свой процессор при помощи специальных программ. Впрочем, частота процессоров и безо всякого разгона возрастала в геометрической прогрессии – в полном соответствии с так называемым «законом Мура» (в свое время Гордон Мур предсказал, что каждые полтора года частота микропроцессоров будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле). Этот принцип успешно работал вплоть до 2004 г. – пока на пути инженеров Intel не встали законы физики. Ведь размеры транзисторов «ужимать» до бесконечности нельзя. Уже сегодня процессоры производятся по 65-наномикронной технологии (технология 65 нанометров), а толщина «подложки» транзисторов не превышает 1 нм (всего 5 атомов). В ближайшие годы размеры транзисторов могут сократиться до 22 нм, что близко к физическому пределу. Одновременно с уменьшением размеров транзисторов резко возрастает количество тепла, которое выделяет работающий процессор – например у последних моделей Pentium тепловыделение составляет около 120 ватт (что соответствует двум бытовым электролампам)!
1. 8086: первый процессор для ПК
8086 стал первым процессором x86 - Intel к тому времени уже выпустила модели 4004, 8008, 8080 и 8085. Этот 16-битный процессор мог работать с 1 Мбайт памяти по внешней 20-битной адресной шине. Тактовая частота, выбранная IBM (4,77 МГц) была довольно низкой, и к концу своей карьеры процессор работал на 10 МГц. Первые ПК использовали производную процессора 8088, которая имела всего 8-битную внешнюю шину данных. Что интересно, системы управления в американских шаттлах используют процессоры 8086, и NASA пришлось в 2002 году покупать процессоры через eBay, поскольку Intel их больше не производила.
Таблица 2
Характеристики 8086
| Intel 8086 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1979 |
| Тактовая частота | 4,77-10 МГц |
80286: 16 Мбайт памяти, но всё ещё 16 битов
Выпущенный в 1982 году, процессор 80286 был в 3,6 раза быстрее 8086 на той же тактовой частоте. Он мог работать с памятью объёмом до 16 Мбайт, но 286 всё ещё оставался 16-битным процессором. Он стал первым процессором x86, оснащённым диспетчером памяти (memory management unit, MMU), который позволял работать с виртуальной памятью. Подобно 8086, процессор не содержал блока работы с плавающей запятой (floating-point unit, FPU), но мог использовать чип-сопроцессор x87 (80287). Intel выпускала 80286 на максимальной тактовой частоте 12,5 МГц, хотя конкурентам удалось добиться 25 МГц.
Таблица 3
Характеристики 8026
| Intel 80286 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1982 |
| Тактовая частота | 6-12 МГц |
386: 32-битный и с кэш-памятью
Intel 80836 стал первым процессором x86 с 32-битной архитектурой. Вышло несколько версий этого процессора. Две наиболее известные: 386 SX (Single-word eXternal), который использовал 16-битную шину данных, и 386 DX (Double-word eXternal) с 32-битной шиной данных. Можно отметить ещё две версии: SL, первый процессор x86 с поддержкой кэша (внешнего) и 386EX, который использовался в космической программе (например, телескоп "Хаббл" использует этот процессор).
Таблица 4
Характеристики 386
| Intel 80386 DX | |
| Кодовое название | P3 |
| Дата выпуска | 1985 |
| Тактовая частота | 16-33 МГц |
486: FPU и множители
Процессор 486 для многих стал знаковым, поскольку с него началось знакомство с компьютером целого поколения. На самом деле, знаменитый 486 DX2/66 долгое время считался минимальной конфигурацией для геймеров. Этот процессор, выпущенный в 1989 году, обладал рядом новых интересных функций, подобно встроенному на кристалл сопроцессору FPU, кэшу данных и впервые представил множитель. Сопроцессор x87 был встроен в линейку 486 DX (не SX). В процессор был интегрирован кэш первого уровня объёмом 8 кбайт (сначала со сквозной записью/write-through, затем с обратной записью/write-back с чуть более высокой производительностью). Существовала возможность добавления кэша L2 на материнскую плату (работал на частоте шины).
Второе поколение 486 процессоров обзавелось множителем CPU, поскольку процессор работал быстрее, чем FSB, появились версии DX2 (множитель 2x) и DX4 (множитель 3x). Ещё один анекдот: "487SX", продаваемый как FPU для 486SX, представлял собой, по сути, полноценный процессор 486DX, который отключал и заменял оригинальный CPU.
Таблица 5
Характеристики 486
| Intel 80486 DX | |
| Кодовое название | P4, P24, P24C |
| Дата выпуска | 1989 |
| Тактовая частота | 16-100 МГц |
Введение
1. 8086: первый процессор для ПК
3. Переход к двуядерным процессорам
4. Виртуализация
5. Кратко о некоторых других технологиях
6. Будущие технологии
Библиографический список
Введение
Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.
Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).
Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.
В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора, составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.
Рисунок 1 – принципиальная схема процессора
Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.
Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.
Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.
Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.
Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.
Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.
Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.
Блок шины - служит для ввода и вывода информации.
Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst.
В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.
Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.
Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).
С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).
В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.
Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь - для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE - значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет - будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем таблицу, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.
Таблица 1
Сравнение основных наборов команд
| Процессор | MMX | EMMX | 3DNow! | SSE | E3DNow! | SSE2 | SSE3 |
| Intel Pentium II | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Celeron до 533 MHz | + | - | - | - | - | - | - |
| Intel Pentium III | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Celeron 533-1400 MHz | + | - | - | + | - | - | - |
| Intel Pentium 4 | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Celeron от 1700 MHz | + | - | - | + | - | + | - |
| Intel Celeron D | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium 4 eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | +/-* |
| Intel Pentium eXtreme Edition | + | - | - | + | - | + | + |
| Intel Pentium D | + | - | - | + | - | + | + |
| AMD K6 | + | + | - | - | - | - | - |
| AMD K6-2 | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD K6-III | + | + | + | - | - | - | - |
| AMD Athlon | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Duron до 900 MHz | + | + | + | - | + | - | - |
| AMD Athlon XP | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Duron от 1000 MHz | + | + | + | + | + | - | - |
| AMD Athlon 64 / Athlon FX | + | + | + | + | + | + | +/-* |
| AMD Sempron | + | + | + | + | + | +/-* | +/-* |
| AMD Athlon 64 X2 | + | + | + | + | + | + | + |
| VIA C3 | + | + | +/-* | +/- | - | - | - |
* в зависимости от модификации
В 1970г. доктор Маршиан Эдвард Хофф с командой инженеров из Intelсконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае, так принято считать – хотя на самом деле еще в 1968 году инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLFдля бортового компьютера истребителя F-14. Первый процессор работал на частоте 750 кГц. Сегодняшние процессоры от Intelбыстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз
Тактовая частота – это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Еще недавно этот показатель был для пользователей не то, что самым важным – единственным значимым! Многие пользователи пытались «разогнать» свой процессор при помощи специальных программ. Впрочем, частота процессоров и безо всякого разгона возрастала в геометрической прогрессии – в полном соответствии с так называемым «законом Мура» (в свое время Гордон Мур предсказал, что каждые полтора года частота микропроцессоров будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле). Этот принцип успешно работал вплоть до 2004 г. – пока на пути инженеров Intelне встали законы физики. Ведь размеры транзисторов «ужимать» до бесконечности нельзя. Уже сегодня процессоры производятся по 65-наномикронной технологии (технология 65 нанометров), а толщина «подложки» транзисторов не превышает 1 нм (всего 5 атомов). В ближайшие годы размеры транзисторов могут сократиться до 22 нм, что близко к физическому пределу. Одновременно с уменьшением размеров транзисторов резко возрастает количество тепла, которое выделяет работающий процессор – например у последних моделей Pentiumтепловыделение составляет около 120 ватт (что соответствует двум бытовым электролампам)!
1. 8086: первый процессор для ПК
8086 стал первым процессором x86 - Intel к тому времени уже выпустила модели 4004, 8008, 8080 и 8085. Этот 16-битный процессор мог работать с 1 Мбайт памяти по внешней 20-битной адресной шине. Тактовая частота, выбранная IBM (4,77 МГц) была довольно низкой, и к концу своей карьеры процессор работал на 10 МГц. Первые ПК использовали производную процессора 8088, которая имела всего 8-битную внешнюю шину данных. Что интересно, системы управления в американских шаттлах используют процессоры 8086, и NASA пришлось в 2002 году покупать процессоры через eBay, поскольку Intel их больше не производила.
Таблица 2
Характеристики 8086
| Intel 8086 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1979 |
| Тактовая частота | 4,77-10 МГц |
80286: 16 Мбайт памяти, но всё ещё 16 битов
Выпущенный в 1982 году, процессор 80286 был в 3,6 раза быстрее 8086 на той же тактовой частоте. Он мог работать с памятью объёмом до 16 Мбайт, но 286 всё ещё оставался 16-битным процессором. Он стал первым процессором x86, оснащённым диспетчером памяти (memory management unit, MMU), который позволял работать с виртуальной памятью. Подобно 8086, процессор не содержал блока работы с плавающей запятой (floating-point unit, FPU), но мог использовать чип-сопроцессор x87 (80287). Intel выпускала 80286 на максимальной тактовой частоте 12,5 МГц, хотя конкурентам удалось добиться 25 МГц.
Таблица 3
Характеристики 8026
| Intel 80286 | |
| Кодовое название | Н/Д |
| Дата выпуска | 1982 |
| Тактовая частота | 6-12 МГц |
386: 32-битный и с кэш-памятью
Intel 80836 стал первым процессором x86 с 32-битной архитектурой. Вышло несколько версий этого процессора. Две наиболее известные: 386 SX (Single-word eXternal), который использовал 16-битную шину данных, и 386 DX (Double-word eXternal) с 32-битной шиной данных. Можно отметить ещё две версии: SL, первый процессор x86 с поддержкой кэша (внешнего) и 386EX, который использовался в космической программе (например, телескоп "Хаббл" использует этот процессор).
Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, и MISC (Minimum Instruction Set Computing) вычисления с минимальным набором команд, выполняемых за один такт МП.
Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).
Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.
С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
1) разрядности адресов и данных;
2) состава, имен и назначения программно-доступных регистров;
3) форматов и системы команд;
4) режимов адресации памяти;
5) способов машинного представления данных разного типа;
6) структуры адресного пространства;
7) способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода;
8) классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом .
Джон фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.
Этапы цикла выполнения:
Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
Снова выполняется п. 1.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).
Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.
Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена Марк I для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.
Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:
1) получение и декодирование инструкции (Fetch)
2) адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
3) выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
4) сохранение результата операции (Store)
После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
- простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
- ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
- очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
- Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)
Суперскалярная а рхитектура
Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
CISC-процессоры
Complex Instruction Set Computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).
RISC-процессоры
Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).
Самая распространённая реализация этой архитектуры представлена процессорами серии PowerPC, включая G3, G4 и G5. Довольно известная реализация данной архитектуры — процессоры серий MIPS и Alpha.
MISC-процессоры
Minimum Instruction Set Computing — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности.
Контрольные вопросы:
1) Дайте о пределение архитектуры микропроцессора.
2) Назовите основные типы архитектур.
3) Назовите о тличительные особенности архитектуры Джона Фон Неймана.
4) Что такое тактовая частота?
5) Дайте определение Гарвардской архитектуры.
6) Расскажите о конвейерной архитектуре. Для чего она была введена в центральный процессор?
7) Назовите факторы, снижающие эффективность конвейера.
8) Что такое суперскалярная архитектура?
9) Что характеризует RISC-процессоры?
10) Охарактеризуйте СISC-процессоры.
См. также:
Режимы адресции :
Современная технология изготовления:
