7. Обзор типов микропроцессоров, их характеристики. Архитектура процессоров

Наибольшее влияние на развитие компьютеров типа IBM оказывает фирма INTEL – производитель микропроцессоров и фирма Microsoft – разработчик программного обеспечения -Windows 95, Microsoft Office и т. д.

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом и тактовой частотой.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций – тактов, МП выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц.

Разрядность процессора.

Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных разрядов). Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объём информации, перерабатываемый процессором за единицу времени.

Адресное пространство.

Одна из функций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства, а для ОЗУ – адрес ячейки памяти. Код адреса предаётся по адресной шине. Объём физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Он определяется разрядностью внешней шины адреса. Пусть N – разрядность адресной шины, тогда количество различных двоичных чисел, которые можно по ней передать, равно 2^N. Известно, что число, передаваемое по адресной шине при обращении процессора к оперативной памяти, есть адрес ячейки ОЗУ (её порядковый номер). Значит, 2^N – объём адресного пространства процессора. Следовательно, при 16-, 32- и 64-разрядной шине адреса создаётся адресное пространство соответственно 64 Кбайта, 1 Мбайт, 16 Мбайт, 4 Гбайта.

Ноябрь 1971 г. - первый микропроцессор Intel 4004 , который выполнял 60 000 операций в секунду.

Апрель 1972 г. - МП 8008 , выполнял 300 000 команд в секунду.

Апрель 1974 г. - МП 8080 , f такт . = 2 Мгц.

1982 г. – МП 80286 , f такт . = 6 и 8 Мгц.

1985 г. - МП 80386, 16 –25 Мгц.

1989 г. - МП 80486.

Число транзисторов 1,2 млн. , f такт . = 25 – 66 Мгц.

1993 г. - МП Pentium

Число транзисторов 3,1 млн.,

Fтакт =100,133,166,200,233,266,300,333,350,400,450 Мгц

Это первый процессор с так называемой суперскалярной архитектурой. Он может выполнять две команды за один машинный цикл. Процессор выполняет две непрерывно повторяющиеся команды: считывает очередную команду из программы, находящейся в памяти и выполняет операции, предписываемые этой командой – совокупность таких двух шагов, называется машинным циклом. Ещё один шаг на пути к повышению производительности – реализация кэш-памяти на кристалле процессора, позволяющая временно хранить часто используемые команды и данные. Имеются раздельные по 8 Кбайт кэш для данных и для инструкций. Благодаря этому снижается вероятность конфликтов на шине. Шина данных – это магистраль, которая пересылает информацию между процессором и подсистемой памяти. Благодаря своей внешней 64-битной шине данных процессор Pentium может взаимодействовать с памятью с максимальной скоростью (до 528 Мбайт/с), что более чем в пять раз быстрее соответствующего показателя для 486 процессора. Однако Intel больше не выпускает стандартных процессоров Pentium.

Технология ММХ

Технология ММХ создана совместными усилиями разработчиков архитектуры процессоров Intel и программистов. Были проведены исследования широкого круга программ: обработки изображений, синтеза музыки, сжатия речи и её распознавания, игровых, видеоконференционных и других. В результате этого анализа было выявлено то общее, что необходимо для эффективного выполнения программ: данные целого типа небольшой разрядности, большое количество операций умножения и суммирования, алгоритмы, требующие интенсивных вычислений.

Технология ММХ была разработана как набор базовых целочисленных команд, которые удобно использовать в различных мультимедийных и коммуникационных приложениях. Основой ММХ является архитектура SIMD (Single Instruction Multiple Data) – одна инструкция над многими данными. Она состоит в том, что много единиц информации обрабатывается одной командой одновременно, значительно увеличивая производительность.

Технология ММХ задаёт набор новых базовых целочисленных инструкций и типов данных, расширяющих мультимедийные и коммуникационные возможности процессора. Применение ММХ позволяет добиться нового уровня производительности для большого числа приложений.

В 1995 г. Intel выпустила Pentium Pro. В техническом плане в Pentium Pro были проверены два решения, которые должны были обеспечить производительность вычислительной системы в целом: объединение в одном корпусе кристаллов процессора и кэш-памяти, а также обеспечение их взаимодействия через независимую шину на частоте процессора. Размещение в одном корпусе двух микросхем резко снизило выход годных продуктов: в случае неисправности одной из них – изделие браковалось. Дорогим и сложным оказалось производство быстродействующей кэш-памяти. Оба эти фактора привели к существенному повышению себестоимости Pentium Pro. Команды ММХ он не поддерживал. Этот процессор служил экспериментальной моделью, с помощью которой Intel создавала техническую основу для мощного продвижения его будущей модификации. Она появилась в мае 1997 г., в виде Pentium II.

Интеграция кристаллов процессора и кэш-памяти была выполнена на отдельной плате, что позволило тестировать их автономно, и упростило саму операцию корпусирования. Независимая шина кэш-памяти стала работать на половинной частоте процессора. Это несколько снизило производительность системы, но зато позволило использовать дешёвые модули памяти. В результате при небольшом снижении производительности по сравнению с Pentium Pro в Pentium II была повышена технологичность изготовления и снижена себестоимость, что позволяет повысить мощность процессора за счёт поэтапного совершенствования отдельных компонентов.

Процессор шестого поколения Pentium III был официально выпущен в феврале 1999 г. Изначально представлял собой Pentium II, дополненный новыми SIMD-инструкциями. В процессоре реализована конвейерная организация целочисленных и вещественных вычислений. В основе лежит микроархитектура P6 с динамическим исполнением команд, берущая своё начало с Pentium Pro. Под динамическим исполнением понимается специальная технология обработки, включающая множественное предсказание ветвлений, механизм анализа потока данных. Всё вместе это помогает избежать простоев отдельных блоков и сократить количество напрасно выполняемых вычислений.

Pentium 4, отличается от X86 совместимых процессоров уникальной организацией КЭША. Например, Pentium III использует одну половину КЭША первого уровня (L1) для хранения инструкций, а в другую складывает данные. Декодер Pentium III считывает команды из КЭША первого уровня и нарезает их на микрокоманды, которые передаются устройству управления. Такая система имеет два серьезных недостатка. Во-первых, если декодеру попадается сложная инструкция, то исполнительному устройству приходится простаивать до тех пор, пока она не будет преобразована в микрооперации. Во-вторых, каждый раз при повторном исполнении команд (при обработке циклов) процессору приходится декодировать их заново.

Pentium 4 не хранит инструкции в КЭШЕ первого уровня. Вместо этого процессор складирует уже декодированный код в так называемый КЭШ трассировки исполнения (Execution Trace Cache). Иными словами, в новом КЕШЕ хранятся не классические инструкции X86, а готовые к исполнению микрооперации. Такой подход позволяет избежать, описанные выше проблемы. Объем, КЕША первого уровня Pentium 4 (в нем хранятся только данные) составляет всего восемь килобайт. Для сравнения: КЭШ Pentium III может хранить до 16 килобайт данных. Вероятно, объем принесен в жертву скорости: на ожидание данных из КЭША первого уровня Pentium 4 тратит всего два тракта, а его конкуренты - три.

Все современные процессоры оснащены не одним, а несколькими арифметико-логическими устройствами, то есть блоками, выполняющими арифметические и логические операции над целочисленными данными. Очень часто процессор не может обработать команду до тех пор, пока не вычислит результат предшествующей ей инструкции. Такие пары команд называются зависимыми. Поскольку обрабатывать их параллельно нельзя, процессору приходится вычислять их по очереди. Чтобы максимально сократить время исполнения зависимых инструкций, Pentium 4 оснащен двумя АЛУ, работающими на удвоенной частоте процессора. Каждый из них может исполнить за такт две простые операции (сложение, вычитание и логические).

Архитектура процессоров

За первые десять лет существования микропроцессоров сформировалась архитектура CISC (Complex Instruction Set Computing – вычисления со сложным набором инструкций). В построенных по её принципам процессорах более двух третей кристалла занимают логика, реализующая выборку и декодирование сложных инструкций, прямое взаимодействие не только с регистровой, но и с внешней памятью. При этом блоки, непосредственно занятые вычислениями – операциями над целыми числами в формате с плавающей точкой, занимают лишь треть площади кристалла.

Уже в конце 70-х гг. разработчики микросхем резонно заметили, что нельзя до бесконечности усложнять кристалл процессора. Появились исследования, в которых было сформулировано правило “80-20”, которое гласит, что 80% инструкций процессора используются программами лишь 20% времени работы, в то время как на остальные 20% относительно простых команд приходится огромная доля вычислений – 80%.

Основные принципы архитектуры RISC (Reduced Instruction Set Computing - вычисления с ограниченным набором инструкций) состоят в том, что в процессоре должно быть реализовано минимально необходимое количество инструкций одинаковой длины, которые выбираются из памяти и декодируются единым образом. Выполняются они при этом с максимальной скоростью. Другие более сложные инструкции можно разделить на несколько команд из базового набора, хотя при этом на их обработку и уйдёт больше времени, чем при CISC-реализации. Состав инструкций микропроцессора должен быть оптимизирован для языков высокого уровня, т.к. качество перевода с языка высокого уровня в понятные процессору инструкции решающим образом влияет на производительность системы. Новые RISC-процессоры в основном являются 64-разрядными и работают на частотах до 750 МГц.

Архитектура Alpha.

Лицензии на технологии Alpha имеют компании Samsung, IBM, AMD. Возглавляет семейство Alpha процессор 21264, выпускаемый по шестислойной 0,25 микронной технологии. Процессор 21264 ориентирован на самые современные приложения, включая распознавание речи и 3D-визуализацию, обработку цифрового видео и мультимедиа. Благодаря расширению MVI (Motion-Video Instructions), этот чип справляется с визуальными вычислениями (3D-графика) и воспроизведением DVD-видео в режиме реального времени. По быстродействию он лидирует среди серийно выпускаемых процессоров, имея частоту 750 МГц, площадь кристалла 225 мм², встроенную двухуровневую кэш-память, суперскалярную архитектуру, когда в каждом такте обрабатывается по несколько инструкций и выдаётся несколько результатов.

Усилиями Intel в 2000 г. в серийное производство должен быть запущен новый 64-разрядный микропроцессор архитектуры IA-64. Работа над IA-64 и процессором Itanium ведутся с 1994 года. Itanium будет выпускаться по 0,18 микронной технологии. Первая же модель с тактовой частотой 800 МГц должна, по расчётам обогнать самые быстрые на сегодня RISC-микропроцессоры Alpha 21264. Itanium , совместимый с сегодняшней архитектурой IA-32, имеет больше вычислительных блоков, чем у выпускаемых микропроцессоров: четыре целочисленных блока, два блока для вычислений с плавающей точкой и три блока предсказания ветвлений.

Архитектура PowerPC

Тандем IBM и Motorola выделяется на общем фоне тем, что в продвигаемой ими архитектуре используются технологические процессы, пока недоступные остальной индустрии. На год раньше других фирм эти компании начали массовое производство микропроцессоров с медными внутренними соединениями. PowerPC-7400 (G4) – 32 –разрядный микропроцессор. Он выпускается по самой передовой 0,15-микронной шестислойной технологии, разработанной IBM, которая предусматривает использование соединений между полупроводниковыми элементами не алюминиевых, а медных проводников, что даёт значительный выигрыш в потребляемой энергии и площади кристалла. В этом процессоре на площади 83 мм² размещено свыше 10,5 млн. транзисторов. По планам Motorola, частота процессоров G4 достигнет 1ГГц, но пока выпускаются модели на 450 МГц ориентированные на персональные компьютеры Apple.