Схемотехника / Опорні конспекти / Модуль 2 / 2.7-к Функції та режими роботи МП
.pdfТема 2.7: Функції та режими роботи мікропроцесора.
Мета: Ознайомитизфункціямитарежимамироботимікропроцесора.
Перелік питань для вивчення.
1.Функції процесора:
1)багатопроцесорні комп'ютери;
2)технологія Hyper-Threading;
3)багатоядерна технологія;
4)процесори CISС і RISC;
5)опрацювання мультимедійної інформації;
6)гіперконвеєрна технологія та суперскалярна архітектура;
7)динамічне виконання команд;
8)архітектура подвійної незалежної шини (DIB, Dual Independent Bus).
2.Режими роботи процесора:
1)реальний режим;
2)режим IA-32;
3)розширений 64-розрядний режим IA-32e;
3.Система охолодження процесора.
1. Функції процесора.
1) Багатопроцесорні комп'ютери.
Останнім часом великого поширення набули багатопроцесорні комп'ютери, найчастіше -
це потужні сервери.
Функціонування багатопроцесорної системи потребує виконання певних умов:
1)материнська плата повинна підтримувати роботу з декількома процесорами;
2)процесор повинен підтримувати роботу багатопроцесорної системи;
3)операційна система повинна підтримувати роботу багатопроцесорної системи.
Багатопроцесорна система найбільш ефективна у випадках, коли вона використовується багатозадачними операційними системами. В цьому випадку відбувається паралельне опрацювання даних, тобто операційна система розподіляє різні задачі між декількома процесорами.
2) Технологія Hyper-Threading.
Багатопроцесорні комп'ютери набагато продуктивніші за однопроцесорні, але водночас і
дорожчі за них. Новітня технологія Hyper-Threading (HT) компанії Intel дозволяє одному процесору одночасно працювати з двома незалежними потоками команд. Іншими словами, HT перетво-
рює один фізичний процесор на два віртуальних.
Дана технологія дозволяє отримати приріст продуктивності процесора на 10 - 20 %.
Необхідно зазначити, що не всі багатоядерні процесори підтримують технологію HT. Все залежить від конкретної версії процесора. Наприклад 4-ядерний процесор з підтримкою технології
HT з точки зору операційної системи являється 8-ядерним.
3) Багатоядерна технологія.
Технологія Hyper Threading лише імітує наявність двох процесорів. Проте, якщо навіть імітація декількох процесорів покращує роботу, то наявність двох і більше процесорів в одному корпусі ще більше позначиться на продуктивності.
Зовні двоядерні процесори виглядають як один. Проте, насправді всередині одного корпусу містяться два, чотири, а то і більше повноцінних процесорних ядер. Багатоядерні процесори мають всі переваги багатопроцесорних систем, проте коштують набагато дешевше.
Які ж переваги використання багатоядерних процесорів?
Незалежно від швидкодії звичайного одноядерного процесора, кожна запущена програма повинна обслуговуватися відповідним чином. Чим більше програм відкрито, тим менше часу процесор витрачає на кожну з них. В результаті загальна продуктивність комп'ютера знижується.
Сервери вже давно використовують всі переваги мультипроцесорної обробки даних в бага-
тозадачному середовищі. Проте висока вартість багатопроцесорних материнських плат і необ-
хідність установки декількох процесорів довгий час не дозволяли скористатися цими перевагами власникам настільних систем.
Багатоядерні процесори призначені для користувачів, яким необхідна одночасна робота декількох додатків або які використовують багатопотокові програми (мабуть, в цю категорію потраплять практично всі сучасні користувачі комп'ютерів).
На рис. 2.7.1 показана робота з декількома додатками одноядерного та двоядерногопроцесорів.
Рис. 2.7.1 Робота з декількома додатками одноядерного (зліва) та двоядерного (справа) процесорів
На відміну від одноядерного, двоядерний процесор розділяє навантаження між різними ядрами, що дозволяє працювати швидше при однаковому навантаженні або опрацьовувати більше додатків.
Важливо усвідомити, що двоядерний процесор не здатний підвищити продуктивність системи в однозадачному середовищі. Наприклад, якщо ви граєте на комп'ютері в тривимірну гру, яка не підтримує багатопоточність, то, найімовірніше, це єдиний процес, який підтримує система в
даний момент. Отже, багатозадачності немає, і отримати переваги від двоядерного процесора не вдасться. На щастя, з кожним днем все більше виробників комп'ютерних програм (зокрема ігор) починають використовувати розділення потоків, що автоматично дозволяє взяти на озброєння до-
стоїнства паралельної обробки інформації декількома ядрами процесора.
4) Процесори CISС і RISC.
Чим більший набір команд процесора, тим складніша його архітектура, тим довший запис
команди в байтах, тим вища середня тривалість виконання однієї команди, яка вимірюється в тактах роботи процесора.
Такі процесори називають процесорами зі складною системою команд (CISС-процесори,
Complex Instruction Set Computing).
На противагу CISС-процесорам існують процесори зі спрощеною системою команд (RISC-
процесори, Reduced Instruction Set Computing).
У випадку використання RISC-архітектури кількість команд в системі набагато менша і кожна з них виконується набагато швидше. Таким чином, програми, що складаються з простих команд, виконуються цими процесорами набагато швидше.
Недоліком RISС-процесорів є те, що складні операції доводиться замінювати неефективною послідовністю простих команд.
В результаті конкуренції між двома підходами до архітектури процесорів склався наступний розподіл їх сфер застосування:
а) CISС-процесори - універсальні обчислювальні системи;
б) RISC-процесори - спеціалізовані обчислювальні системи або пристрої, орієнтовані на ви-
конання одноманітних операцій.
Персональні комп'ютери орієнтовані на використання CISС-процесорів.
5) Опрацювання мультимедійної інформації.
Необхідність роботи з мультимедійною інформацією спонукала виробників процесорів до впровадження спеціальних технологій для її ефективного опрацювання.
В процесорах Intel з цією метою використовують систему команд SSE (Striming SIMD eXstension, потокові розширення SIMD). SIMD розшифровується так: Single Instruction – Multiple
Data, одиничний потік команд - множинний потік даних.
Процесори AMD оснащені аналогічним набором команд 3DNow!
6) Гіперконвеєрна технологія та суперскалярна архітектура.
Кожна команда в процесорі проходить, як мінімум, чотири стадії опрацювання: вибір із кешу, декодування, виконання, запис результатів. Ці стадії називають конвеєром опрацювання команд.
В сучасних процесорах застосовуються багатоступінчаті конвеєри, які складаються з багатьох стадій. Ця технологія називається гіперконвеєрною.
Сучасні процесори мають декілька внутрішніх конвеєрів. Це дозволяє одночасно виконува-
ти декілька команд за один проміжок часу. Архітектура процесора з декількома конвеєрами нази-
вається суперскалярною.
Завдяки використанню гіперконвеєрної технології та суперскалярної архітектури значно підвищується продуктивність роботи процесора.
7) Динамічне виконання команд.
Конвеєрний спосіб ефективний у випадку послідовного виконання команд. При виконанні команд розгалуження конвеєр працює із затримками. Для усунення цього недоліку розроблене динамічне виконання команд. Динамічне виконання складається з трьох методів опрацювання інформації:
1)прогноз розгалужень;
2)аналіз потоку команд;
3)попереджуюче виконання.
Прогноз розгалужень (branch prediction).
Процесор наперед передбачає можливі переходи або розгалуження та виконує необхідні
команди.
Даний метод можна порівняти з грою в шахи. Досвідчений шахіст може наперед передбачити стратегію супротивника та виконати необхідну комбінацію ходів.
Аналіз потоку команд (out-of-order execution).
Процесор після аналізу програми може змінити початковий порядок виконання команд і виконати їх найефективнішим способом.
Попереджуюче виконання (data forwarding).
Процесор при необхідності може виконати деякі команди наперед, випереджаючи чергу, а потім пізніше скористатися результатами проведених обчислень.
8) архітектура подвійної незалежної шини (DIB, Dual Independent Bus).
Архітектура подвійної незалежної шини полягає в тому, що процесор має дві шини даних:
одну - для системної плати, другу - для кеш-пам'яті. Завдяки цьому істотно підвищується швидко-
дія кеш-пам'яті та продуктивність роботи процесора.
2. Режими роботи процесора.
Сучасні процесори можуть працювати в різних режимах. Режими призначені для виконан-
ня програм в різних середовищах. В різних режимах можливості процесора неоднакові, тому що команди виконуються по-різному.
Процесори можуть працювати в трьох режимах:
1)реальний режим;
2)режим IA-32;
3)розширений 64-розрядний режим IA-32e (AMD64, x86-64, EM64T).
Розглянемо детальніше роботу процесора в кожному режимі.
Реальний режим.
Цей режим роботи використовувався в старих процесорах. Програми в реальному режимі використовували тільки 16-розрядні команди та підтримували не більше 1 Мбайт оперативної пам'яті. Процесор працював в однозадачному режимі та не мав захисту від програм з помилками.
Вреальному режимі працювала операційна система Microsoft DOS та її додатки.
Режим IA-32.
Даний режим включає в себе два підрежими:
а) захищений 32-розрядний режим.
Вцьому режимі програми використовують 32-розрядні команди та підтримують до 4 Гбайт оперативної пам'яті. Процесор працює в багатозадачному режимі та захищений від програм з помилками. Програму, яка дала збій, можна завершити без завдання шкоди всій системі.
Взахищеному 32-розрядному режимі працюють багатозадачні 32-розрядні операційні сис-
теми Windows, Unix та їх додатки.
б) віртуальний реальний режим IA-32.
Зважаючи на те, що розробка нових 32-розрядних операційних систем і додатків триватиме деякий час, компанія Intel передбачила в своїх процесорах використання так званого віртуального реального режиму.
Цей режим передбачає виконання 16-розрядного середовища всередині 32-розрядного захищеного режиму.
Важливо відзначити, що всі процесори Intel і AMD при включенні живлення починають пра-
цювати в реальному режимі. При завантаженні 32-розрядна операційна система автоматично переводить процесор в 32-розрядний режим і далі працює з ним в цьому режимі.
64-розрядний розширений режим IA-32e (AMD64, x86-64, EM64T).
Даний режим призначений для роботи 64-розрядних процесорів.
Ці процесори можуть працювати в реальному 16-розрядному, захищеному 32-розрядному або в розширеному 64-розрядному режимах.
64-розрядний розширений режим IA-32e включає в себе два підрежими:
1)64-розрядний режим. Дозволяє 64-розрядній операційній системі виконувати 64-
розрядні додатки;
2)режим сумісності. Дозволяє 64-розрядній операційній системі одночасно виконува-
ти 64-розрядні та 32-розрядні додатки.
Необхідно зазначити, що 64-розрядній операційній системі доступні декілька нових функ-
цій, наприклад, підтримка оперативної пам'яті об'ємом більше 4 Гбайт.
На жаль, старі 16-розрядні програми для MS DOS в 64-розрядному режимі не підтримуються.
Необхідно також зазначити, що для роботи 64-розрядних додатків необхідна 64-розрядна операційна система та 64-розрядні драйвери для всіх пристроїв, призначених для цієї системи.
Поширення 64-розрядних додатків відбулося тільки після виходу операційних систем
Windows 7 та Windows 8.
3. Система охолодження процесора.
Сучасні процесори виділяють дуже багато тепла, тому їх обов’язково охолоджують.
Найчастіше використовують повітряну систему охолодження. Вона реалізується за допо-
могою спеціального радіатора та вентилятора, які встановлюють поверх корпусу процесора.
Вентилятор називається кулером. Для кращого контакту радіатора з корпусом процесора використовують спеціальну термопасту з великою теплопровідністю.
Якщо повітряного охолодження недостатньо, використовують рідинне охолодження.
Контрольні запитання.
1.В яких сферах найчастіше застосовують багатопроцесорні комп'ютери?
2.В яких випадках багатопроцесорна система найбільш ефективна?
3.Яким чином відбувається опрацювання даних в багатопроцесорних системах?
4.Який принцип технології Hyper-Threading?
5.Який приріст продуктивності процесора дозволяє отримати технологія Hyper-Threading?
6.Чи всі багатоядерні процесори підтримують технологію Hyper-Threading?
7.Яким являється 4-ядерний процесор з підтримкою технології Hyper-Threading з точки зору операційної системи?
8.Який зовнішній вигляд мають двоядерні процесори?
9.Скільки повноцінних ядер міститься всередині одного корпусу багатоядерного процесора?
10.Що дорожче: багатоядерний процесор чи багатопроцесорна система?
11.Для яких користувачів призначені багатоядерні процесори?
12.В чому полягає відмінність роботи двоядерного процесора від одноядерного?
13.Чиздатнийдвоядернийпроцесорпідвищитипродуктивністьсистемиводнозадачномусередовищі?
14.Які процесори називаються CISС-процесорами?
15.Які процесори називаються RISС-процесорами?
16.Назвіть переваги використання RISC-архітектури?
17.Назвіть недоліки RISС-процесорів?
18.Назвіть сфери застосування CISС-процесорів?
19.Назвіть сфери застосування RISС-процесорів?
20.На які процесори орієнтовані персональні комп'ютери?
21.ЯкусистемукомандвикористовуютьпроцесориIntel дляопрацюваннямультимедійноїінформації?
22.ЯкусистемукомандвикористовуютьпроцесориAMD дляопрацюваннямультимедійноїінформації?
23.Що називають конвеєром опрацювання команд в процесорі?
24.Яка технологія називається гіперконвеєрною?
25.Яка архітектура процесора називається суперскалярною?
26.Який смисл використання гіперконвеєрної технології та суперскалярної архітектури?
27.Якаосновнапроблемавиникаєпідчасконвеєрноговиконаннякоманд?
28.Якіметодизастосовуютьсядлядинамічноговиконаннякоманд?
29.Вчомуполягаєметодпрогнозурозгалужень?
30.Вчомуполягаєметоданалізупотокукоманд?
31.Вчомуполягаєметодпопереджуючоговиконання?
32.Якаструктураархітектуриподвійноїнезалежноїшини?
33.Вякихтрьохрежимахможутьпрацюватисучасніпроцесори?
34.Якийпринципроботиреальногорежимуроботипроцесора?
35.Якийпринципроботизахищеного32-розрядногорежимуроботипроцесора?
36.ЯкийпринципроботивіртуальногореальногорежимуIA-32?
37.Дляякихпроцесорівпризначений64-розряднийрозширенийрежим?
38.В яких режимахможутьпрацювати 64-розрядніпроцесори?
39.Якпрацюєрежимсумісності64-розрядногорозширеногорежиму?
40.Чи підтримує 64-розрядний режим старі 16-розрядні програми для MS DOS?
41.Коли відбулося поширення 64-розрядних додатків?
42.Чому охолодження сучасних процесорів є обов’язковою умовою?
43.Опишітьповітрянусистемуохолодженняпроцесора.
44.Яку систему охолодження, крім повітряної, використовують для процесорів?
Література.
1.Основи комп'ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл./ С.О. Кравчук, В.О. Шонін. - К.: ІВЦ "Видавництво «Політехніка»: Видавництво
«Каравела», 2005. - 344 с.
2.Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2007. - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. - 896 с.: ил. – (Новейшая энциклопедия).
3.Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005. - 640 с: ил.
4.Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК, 17-е издание.: Пер. с англ. - М.: ООО “И.Д.
Вильямс”, 2007. — 1360 с. (+147 c. на СD) : ил. - Парал. тит. англ.