Архитектура микропроцессоров и направления её развития, характеристики современных микропроцессоров и прогноз на 2012 год
Ц
ентральный
процессор
(ЦП) (central
processing
unit-CPU)
– процессор машинных инструкций, часть
аппаратного обеспечения компьютера
или программируемого логического
контроллера, отвечающая за выполнение
основной доли работ по обработке
информации — вычислительный
процесс.
Современные ЦПУ, выполняемые в виде
отдельных микросхем (чипов), реализующих
все особенности, присущие данного рода
устройствам, называют микропроцессорами.
Микропроцессор
— процессор (устройство, отвечающее за
выполнение арифметических, логических
и операций управления, записанных в
машинном коде), реализованный в виде
одной микросхемы или комплекта из
нескольких специализированных микросхем.
Микропроцессор
является практически законченной
системой управления. Он имеет сложную
архитектуру и представляет собой
сверхбольшую
интегральную схему,
выполненную, как правило, на одном
полупроводниковом кристалле.
Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных.
Архитектура микропроцессора – это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы.
Понятие архитектуры микропроцессора отражает:
- его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними; для пользователя достаточно ограничиться регистровой моделью микропроцессора;
- способы представления и форматы данных;
- способы обращения ко всем программно-доступным для пользователя элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, внешним устройствам);
- набор операций, выполняемых микропроцессором;
- характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в него извне;
- реакцию на внешние сигналы (система обработки прерываний).
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.
CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) – вычисления со сложным набором команд.
RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing) – 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.
Основные характеристики ЦП:
- тактовая частота;
- кэш;
- технология изготовления;
- поддержка технологий. Для оптимизаций выполнения определенных задач производители ЦП внедряют в свои процессоры специальные наборы инструкций (SSE2, SSE3), они не вносят каких-то изменений в саму исполнительную часть ядра процессора, но позволяют описывать сложные последовательности команд более короткими командами и упрощать работу процессору;
- наличие встроенного контроллера памяти. (“Процессор - Чипсет - ОЗУ". Этот путь сокращается за счет "переноса" контроллера памяти из чипсета – в ЦП. Тем самым схема упростилась до "Процессор - ОЗУ".)
По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с.
Основные направления развития микропроцессоров:
1. Повышение тактовой частоты. Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.
2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти. Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью.
3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.
4. Системы на одном кристалле и новые технологии (нанотехнологии).