Архитектура современных процессоров

Содержание

 

Введение 3

1. История, основные  виды архитектур процессоров 5

1.1. История  развития современных процессоров 5

1.2. Архитектура  фон Неймана 6

1.3. Конвейерная  архитектура 6

1.4. Суперскалярная  архитектура 7

1.5. Параллельная  архитектура 9

2. Основные характеристики  современных процессоров 11

3. Особенности современных  процессоров 20

Заключение 25

Список литературы 27

 

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.

Конструктивно, процессоры могут выполняться как в виде одной большой монокристальной  интегральной микросхемы — чипа, так  и в виде нескольких микросхем, блоков электронных плат и устройств.

Чаще всего процессор  представлен в виде чипа, расположенного на материнской плате. На самом чипе написана его марка, его тактовая частота (число возможных операций, которые он может выполнить в  единицу времени) и изготовитель.

В настоящее время, микропроцессоры  и процессоры вмещают в себе миллионы транзисторов и других элементов  электронной логики и представляют сложнейшие высокотехнологичные электронные  устройства. Персональный компьютер  содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Они  входят в состав систем ввода/вывода контроллеров устройств. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается  своим собственным процессором  или процессорами. Однако, архитектуру  и конструктивное исполнение персонального  компьютера определяет процессор или  процессоры, контролирующие и обслуживающие  системную шину и оперативную  память, и, что более важно, выполняющие  объектный код программ. Такие  процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point Unit — CPU). На основе архитектуры центральных  процессоров строится архитектура  материнских плат, и проектируется  архитектура и конструкция компьютера.

Основные характеристики центрального процессора

1. тип архитектуры или серия (Intel x86, Intel Pentium, Pentium overdrive, RISC…)
2. система поддерживаемых команд (standard 86/88, 286, 386, 486, Pentium, MMX) и адресации (real mode, protected mode, virtual mode, EMS, paging).
3. разрядность (бит)
4. тактовая частота (МГц)
5. величина питающего напряжения (Вольт)

Тип архитектуры, как правило, определяется фирмой производителем оборудования. Все крупнейшие фирмы, производящие электронное оборудование для IBM-PC-совместимых компьютеров и выпускающие свои типы центральных процессоров вносят изменения в базовую архитектуру процессоров серии Intel x86 или разрабатывают свою. С типом архитектуры тесно связан набор поддерживаемых команд или инструкций, и их расширений. Эти два параметра, в основном, определяют качественный уровень возможностей персонального компьютера и в большой степени уровень его производительности.

Целью работы является изучение типов архитектур современных процессоров.

Задачами работы являются:

- изучение истории, основных видов архитектур процессоров;

- рассмотрение основных характеристик современных процессоров;

- выделение особенностей современных процессоров.

1. История, основные виды архитектур процессоров

1.1. История  развития современных процессоров

 

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин Центральное  процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных  для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного  соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом  был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его  аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы Веселый маджонг для компа . А выдумал он играть в ангри бёрдс онлайн приходите в гости. . www.akkonst.ru . Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались  в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа  разработки процессоров, предназначенных  для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров  перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых  элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё  больше увеличить сложность ЦП с  одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому  проникновению основанных на них  цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких  высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах  и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

1.2. Архитектура фон Неймана

 

Большинство современных  процессоров для персональных компьютеров  в общем основаны на той или  иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого  Джоном фон Нейманом.

Д. 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.

1.3. 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:

получение и декодирование  инструкции (Fetch)

адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)

выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)

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.)

1.4. Суперскалярная архитектура

 

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 Computer — 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).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах  широко используются ARM-процессоры.

 

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computer — вычисления  с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды  Чака Нориса, 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. Архитектура  MISC строится на стековой вычислительной  модели с ограниченным числом  команд (примерно 20-30 команд

 

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном  или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные  для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерность процессоров  включает такие понятия, как наличие  логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит  из одного физического ядра, которое  в свою очередь разделено на два  логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит  из двух физических ядер, каждое из которых  в свою очередь разделено на два  логических ядра, что существенно  влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были  выпущены в продажу нативные (в  виде одного кристалла) четырёхъядерные  процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки  кодовое название AMD Opteron Barcelona.[1] 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный  процессор для домашних компьютеров  AMD Phenom.[2] Эти процессоры реализуют  новую микроархитектуру K8L (K10).

27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала  прототип 80-ядерного процессора.[3] Предполагается, что массовое производство подобных  процессоров станет возможно  не раньше перехода на 32-нанометровый  техпроцесс, а это в свою очередь  ожидается к 2010 году.

26 октября 2009 года Tilera анонсировала[4] 100-ядерный процессор широкого  назначения серии TILE-Gx. Каждое  процессорное ядро представляет  собой отдельный процессор с  кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память  и системная шина связаны посредством  технологии Mesh Network. Процессоры производятся  по 40-нм нормам техпроцесса и  работают на тактовой частоте  1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров  назначен на начало 2011 года.

На данный момент массово  доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В  ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный  процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого  процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и  рабочие частоты.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность  подобного подхода первый «четырёхъядерник»  фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился  не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров  конкурента составляло от 5 до 30 и более  процентов в зависимости от модели и конкретных задач.[источник не указан 207 дней] Механические квадратные часы Timex по минимальной стоимости.

К 1-2 кварталу 2009 года обе  компании обновили свои линейки четырёхъядерных  процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование  трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых  специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации  архитектуры удалось значительно  повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как  для установки данного процессора необходима дорогая материнская  плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный  набор памяти типа DDR3, также имеющий  на данный момент высокую стоимость.