33.Архитектурные особенности современных микропроцессоров.

Типы команд микропроцессоров.

В ходе развития архитектур микропроцессоров, в состав системы команд вводились и, в силу требований приемлемости, закреплялись (переход в следующие поколения) в сложные команды, которые по требованию работ и систем соответствовали решениям заданий. Мерой этого соответствия был объём 2–го кода программы, так как минимизация длины программы была равнозначна минимизации времени исполнения.

Команды бывают разных типов: регистровые, регистррегистр; память, памятьпамять; регистрпамять и др. Это простые команды. Для реализации сложных команд, как правило, применяется микропрограммирование. Команды называются скалярными, если входные операнды и результат выполнения команды являются числами (скаляры). Команды называются векторными, если входные операнды и, возможно, результаты являются векторами (массивами чисел), а для преобразования данных массива (вектора) использована одна векторная команда. Появление векторных команд в составе микропроцессора обусловлено стремлением ускорить обработку массивов данных, за счёт исключения затрат времени на выборку и дешифрацию затрат обработки – одинаковы для всех компонентов входных массивов.

Однако, использование векторных команд требует подготовки программ векторизованного кода команд, что эквивалентно разработке параллельных команд. При сохранении последовательных программ для ускорения обработки применяются суперскалярные процессоры, в которых, за счёт параллельной работы функциональных устройств процессора, в одном такте вырабатывается несколько скалярных результатов.

Структурный параллелизм микропроцессора.

Повышение производительности микропроцессоров достигается увеличением тактовой частоты, совершенствованием параллельной и конвейерной обработки данных. Уменьшением времени доступа современных микропроцессоров, как правило, содержат более 10–ти обрабатывающих устройств, каждое из которых представляет собой конвейер. Эффективная загрузка параллельно работающих процессов обеспечивает либо аппаратурой, либо компилятором (переводчиком, транслятором), либо совместно аппаратурой и компилятором. Стремление исполнительности присуще большинству программ, естественный параллелизм вычисления целочисленных адресных выражений и, собственно, обработки данных в формате с плавающей точкой привело к появлению разнесённых архитектур.

Рис.35

Микропроцессоры с разнесённой архитектурой состоят из 2–х связанных подпроцессоров, каждый из которых управляет собственным потоком команд. Это адресный процессор A – процессор и исполнитель процессор Е – процессор. Эти процессоры имеют собственные наборы регистров (А и Е) и т.д. (количество зависит от модели процессора) и соответственно и т.д., а также собственные наборы команд.

А – процессор выполняет все адресные вычисления и формирует обращение к памяти по чтению и записи. Это обычный целочисленный процессор.

Е – процессор реализует вычисления с плавающей точкой , извлекаемые из памяти данные, используются либо в А – процессоре, будучи помещённым в очередь типа . АА – очередь, либо в очередь, называемой АЕ. Для отсылки в Е – процессор, когда Е – процессору нужны данные из памяти, он берёт их из АЕ – очереди. Если очередь пуста, Е – процессор задерживается до поступления данных, чем и обеспечивается синхронизацией адресного и исполнительного процессоров. Если Е – процессор выработал данные, которые должны быть отправлены в очередь ЕА. При записи данных в память после вычисления адреса А – процессор отправляет адрес в очередь адресов , эта очередь адресов записи в памяти не дождалась, пока данные поступят в очередь . А – процессор группирует пары, выбирая первые элементы очередей ЕА и AW отправляет эти пары в память. Если одна из очередей или пусты, отсылка в память приостанавливается.

При чтении данных А – процессор отправляет адреса в память с указанием очередей АА и АЕ, которые должны будут записать данные из памяти. Разнесённая архитектура микропроцессора позволяет достичь при скалярной обработке производительность за счёт предварительной выборки из памяти и автоматической развёртки нескольких последовательных векторов цикла в А – процессоре. Проблемы расщепления программы для адресного и исполнительного процессоров решаются либо на уровне компилятора, либо специальным блоком процессора – расщепителя.

Структурные методы уменьшения времени доступа к памяти.

К сожалению, время доступа в основную память, как правило, в 10 и более раз больше, чем время преобразования данных в регистрах процессора. Поэтому приходится искать решение по уменьшению времени доступа, учитывая этот факт.