Главная › Настройки › Что значит архитектура процессора. Мобильные процессоры: всё об архитектурах. Что такое кэш процессора

Что значит архитектура процессора. Мобильные процессоры: всё об архитектурах. Что такое кэш процессора

Технический университет Молдовы

РЕФЕРАТ ПО ПРОГРАММИРОВАНИЮ

ТЕМА: Память и архитектура процессора

Факультет CIM

Группа С - 092

Подготовил Плис Владимир.

Кишинёв 1999 г.

План:

Введение.

1) Историческая ретроспектива.

2) Архитектурное развитие.

3) Процесс производства.

4) Программная совместимость.

5) Обзор процессоров.

Будущие разработки Intel.

Процессор, или более полно микропроцессор, а также часто называемый ЦПУ (CPU - central processing unit) является центральным компонентом компьютера. Это разум, который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера.

Когда фон Нейман впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. Опубликована она в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 году. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода-вывода.

Сегодня, более полувека спустя, почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру.

Историческая ретроспектива

Как известно, все процессоры персональных компьютеров основаны на оригинальном дизайне Intel. Первым применяемым в PC процессором был интеловский чип 8088. В это время Intel располагал выпущенным ранее более мощным процессором 8086. 8088 был выбран по соображениям экономии: его 8-битная шина данных допускала более дешевые системные платы, чем 16-битная у 8086. Также во время проектирования первых PC большинство доступных интерфейсных микросхем использовали 8-битный дизайн. Те первые процессоры даже не приближаются к мощи, достаточной для запуска современных приложений.

В таблице ниже приведены основные группы интеловских процессоров от первой генерации 8088/86 до шестого поколения Pentium Pro и Pentium II:

Тип/ Поколение	Дата	Ширина шины данных/ адреса	Внутренний кэш	Скорость шины памяти (MHz)	Внутренняя частота (MHz)
8088/ First	1979	8/20 bit	None	4.77-8	4.77-8
8086/ First	1978	16/20 bit	None	4.77-8	4.77-8
80286/ Second	1982	16/24 bit	None	6-20	6-20
80386DX/ Third	1985	32/32 bit	None	16-33	16-33
80386SX/ Third	1988	16/32 bit	8K	16-33	16-33
80486DX/ Fourth	1989	32/32 bit	8K	25-50	25-50
80486SX/ Fourth	1989	32/32 bit	8K	25-50	25-50
80486DX2/ Fourth	1992	32/32 bit	8K	25-40	50-80
80486DX4/ Fourth	1994	32/32 bit	8K+8K	25-40	75-120
Pentium/ Fifth	1993	64/32 bit	8K+8K	60-66	60-200
MMX/ Fifth	1997	64/32 bit	16K+16K	66	166-233
Pentium Pro/ Sixth	1995	64/36 bit	8K+8K	66	150-200
Pentium II/ Sixth	1997	64/36 bit	16K+16K	66	233-300

Третье поколение процессоров, основанных на Intel 80386SX и 80386DX, были первыми применяемыми в PC 32-битными процессорами. Основным отличием между ними было то, что 386SX был 32-разрядным только внутри, поскольку он общался с внешним миром по 16-разрядной шине. Это значит, что данные между процессором и остальным компьютером перемещались на вполовину меньшей скорости, чем у 486DX.

Четвертая генерация процессоров была также 32-разрядной. Однако все они предлагали ряд усовершенствований. Во-первых, был полностью пересмотрен весь дизайн 486 поколения, что само по себе удвоило скорость. Во-вторых, все они имели 8kb внутреннего кэша, прямо у процессорной логики. Такое кэширование передачи данных от основной памяти значило, что среднее ожидание процессора запросов к памяти на системной плате сократилось до 4%, поскольку, как правило, необходимая информация уже находилась в кэше.

Модель 486DX отличалась от 486SX только поставляемым внутри математическим сопроцессором. Этот отдельный процессор спроектирован для проведения операций над числами с плавающей точкой. Он мало применяется в каждодневных приложениях, но кардинально меняет производительность числовых таблиц, статистического анализа, систем проектирования и так далее.

Важной инновацией было удвоение частоты, введенное в 486DX2. Это значит что внутри процессор работает на удвоенной по отношению ко внешней электронике скоростью. Данные между процессором, внутренним кэшем и сопроцессором передаются на удвоенной скорости, приводя к сравнимой прибавке в производительности. 486DX4 развил эту технологию дальше, утраивая частоту до внутренних 75 или 100MHz, а также удвоив объем первичного кэша до 16kb.

Pentium, определив пятое поколение процессоров, значительно превзошел в производительности предшествующие 486 чипы благодаря нескольким архитектурным изменениям, включая удвоение ширины шины до 64 бит. P55C MMX сделал дальнейшие значительные усовершенствования, удвоив размер первичного кэша и расширив набор инструкций оптимизированными для мультимедиа приложений операциями.

Pentium Pro, появившись в 1995 году как наследник Pentium, был первым в шестом поколении процессоров и ввел несколько архитектурных особенностей, не встречавшихся ранее в мире PC. Pentium Pro стал первым массовым процессором, радикально изменившим способ выполнения инструкций переводом их в RISC-подобные микроинструкции и выполнением их в высокоразвитом внутреннем ядре. Он также замечателен значительно более производительным вторичным кэшем относительно всех прежних процессоров. Вместо использования базирующегося на системной плате кэша, работающего на скорости шины памяти, он использует интегрированный кэш второго уровня на своей собственной шине, работающей на полной частоте процессора, обычно в три раза быстрее кэша на Pentium-системах.

Следующий новый чип после Pentium Pro Intel представил спустя почти полтора года - появился Pentium II, давший очень большой эволюционный шаг от Pentium Pro. Это распалило спекуляции, что одна из основных целей Intel в производстве Pentium II был уход от трудностей в изготовлении дорогого интегрированного кэша второго уровня в Pentium Pro. Архитектурно Pentium II не очень отличается от Pentium Pro с подобным эмулирующим x86 ядром и большинством схожих особенностей.

Pentium II улучшил архитектуру Pentium Pro удвоением размера первичного кэша до 32kb, использованием специального кэша для увеличения эффективности 16-битной обработки, (Pentium Pro оптимизирован для 32-битных приложений, а с 16-битным кодом не обращается столь же хорошо) и увеличением размеров буферов записи. Однако о основной темой разговоров вокруг новых Pentium II была его компоновка. Интегрированный в Pentium Pro вторичный кэш, работающий на полной частоте процессора, был заменен в Pentium II на малую схему, содержащую процессор и 512kb вторичного кэша, работающего на половине частоты процессора. Собранные вместе, они заключены в специальный одностороний картридж (single-edge cartridge - SEC), предназначенный для вставления в 242-пиновый разъем (Socket 8) на нового стиля системных платах Pentium II.

Основная структура

Основные функциональные компоненты процессора

Ядро: Сердце современного процессора - исполняющий модуль. Pentium имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции одновременно.
Предсказатель ветвлений: Модуль предсказания ветвлений пытается угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз когда программа содержит условный переход, так чтобы устройства предварительной выборки и декодирования получали бы инструкции готовыми предварительно.
Блок плавающей точки. Третий выполняющий модуль внутри Pentium, выполняющий нецелочисленные вычисления
Первичный кэш: Pentium имеет два внутричиповых кэша по 8kb, по одному для данных и инструкций, которые намного быстрее большего внешнего вторичного кэша.
Шинный интерфейс: принимает смесь кода и данных в CPU, разделяет их до готовности к использованию, и вновь соединяет, отправляя наружу.

Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 200MHz, иначе говоря, часики тикают 200 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд (PC) - внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в регистр инструкций (IR). В то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать на последующую инструкцию, а процессор выполняет инструкцию в IR. Некоторые инструкции управляют самим Управляющим Модулем, так если инструкция гласит "перейти на адрес 2749", величина 2749 записывается в Счетчик Команд, чтобы процессор выполнял эту инструкцию следующей.

Типы архитектур процессоров

В процессе работы процессор обрабатывает данные, которые находятся в его регистрах, в оперативной памяти и внешних буферных устройствах процессора. Всего существует 3 информационных потока, обрабатываемых процессором:

Команды
Адреса
Данные подлежащие обработки

Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах, тем дольше средняя продолжительность выполнения команд процессора. Процессоры Intel насчитывают более 1000 команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC).

Архитектурный облик IBM PC-совместимого компьютера определяется рядом свойств, обеспечивающих возможность функционирования программного обеспечения, управляющего подключенным оборудованием. Программы могут взаимодействовать с устройствами разными способами:

Используя вызовы функций операционной системы(прерывания DOS, API Windows и т.д.);
Используя вызовы функций базовой системы ввода-вывода (BIOS);
Непосредственно взаимодействуя с известным им «железом» - портами и памятью устройств или контроллеров интерфейсов.

Такое разнообразие существует благодаря изначальной открытости архитектуры первых IBM PC и сохранения имеющихся решений (пускай иногда и не самых лучших) в последующих моделях, обрастающих новыми узлами.

Облик PC-совместимого компьютера в значительной степени определяется разработчиками из фирм Microsoft и Intel. Для этих фирм стало уже традицией выпускать объемистый документ, диктующий разработчикам аппаратуры требования для получения желаемого логотипа “Designed for Microsoft Windows”.

В спецификациях определяются требования к функциональности и производительности всех подсистем компьютера, включая и периферийные устройства.

В настоящее время выделяют следующие типы архитектур процессора:

RISC – возможность выполнения меньшего количества команд, но с большой скоростью Команды состоящие из более простых команд, выполняются более производительно и с большой скоростью. Недостатки: сложные алгоритмы не всегда можно разбить на последовательность простых команд.
CISC – процессоры универсальны и могут использоваться в любых компьютерных системах.
MISC – промежуточный тип архитектуры. Имеет внутреннее ядро микропроцессора, выполненное по RISC-архитектуре и внешнее выполненное по структуре CISC.

Шины.

Слоты расширения предназначены для установки карт различного назначения, расширяющих функциональные возможности компьютера. На слоты выводятся стандартные шины расширения ввода-вывода, а также промежуточные интерфейсы, наподобие AMR и CNR. Стандартизованные шины расширения ввода-вывода обеспечивают основу функциональной расширяемости PC-совместимого персонального компьютера, который с самого рождения не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач.

Шины расширения является средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам непосредственно использовать системные ресурсы PC – пространства памяти и ввода-вывода, прерывания, каналы прямого доступа к памяти. Как следствие, изготовителям модулей расширения приходится точно следовать протоколам шины, включая жесткие частотные и нагрузочные параметры, а также временные диаграммы. Отклонения приводят к несовместимости с некоторыми системными платами. Если при подключении к внешним интерфейсам это ведет к неработоспособности только самого устройства, то некорректное подключение к системной шине может блокировать работу всего компьютера. Следует также учитывать ограниченность ресурсов PC. Самые дефицитные из них – линии запросов прерываний, проблема прерываний, известная по шине ISA, так и не была радикально решена с переходом на PCI. Другой дефицит – каналы прямого доступа шины ISA, используемые и для прямого управления шиной, - в шине PCI исчез. Доступное адресное пространство памяти и портов ввода-вывода, в котором было тесновато абонентам шины ISA, в PCI существенно расширено. Проблемы распределения ресурсов на шинах решаются по-разному, но чаще всего применяется технология PnP.

В современных настольных компьютерах основной шиной расширения является PCI, порт AGP присутствует практически повсеместно, шина ISA, несмотря на рекомендации отойти от нее, сохраняется как средство подключения старых карт расширений.

Выделяют 3 вида шин:

Шина данных
Адресная шина
Шина команд

Шина данных – происходит копирование данных из оперативной памяти, в регистре процессора и наоборот. 64 разрядная.

Адресная шина – данные, которые передаются, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. С помощью этой шины процессор считывает адреса команд, которые надо выполнить, а также данные, которыми оперируют команды. 32-разрядная.

Шина команд (управления)– поставляет команды, которые выполняет процессором. Простые команды укладываются в один байт, более сложные в 2,3 байта. 32-разрядная.

Шины на материнской плате используют не только для связи с процессором, все остальные устройства ЭВМ тоже подключаются с помощью шин.

ISA – позволяет связать между собой все устройства в системном блоке, а так же обеспечить подключение новых устройств через стандартные слоты. Пропускная способность составляет 5,5 Мб в секунду. Сейчас используют только для подключения внешних устройств, которые не требуют большой пропускной способности (звук, модемы).
EISA - 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытеснена шиной PCI. Раньше применялась в серверных платформах, где необходимо устанавливать множество дополнительных плат расширения. В слот EISA можно устанавливать карты ISA(но не наоборот). Пропускная способность до 32-Мб-в секунду.
VLB – локальная шина, которая представляет собой соединение процессора с оперативной памятью в обход основной магистральной шины. Эта шина работает на более высокой частоте и позволяет увеличить скорость передачи данных. Эта шина имеет интерфейс для подключения видео адаптера необходимого для подключения монитора в состав вычислительного комплекса. Пропускная способность до 130 Мб в секунду. Рабочая тактовая частота – 50 МГц. Зависит от типа устройств подключаемых к этой шине.
PCI – стандарт подключения внешних устройств который введен для Pentium. По своей сути это интерфейс - локальные шины с разъемами для подключения внешних компонентов вычислительных систем. Тактовая частота - до 166 МГц и обеспечивает передачу информации со скоростью 264 Мб в секунду независимо от количества подключенных устройств. С введением этого стандарта появилась возможность для подключения технологии “Plug & Play”: после физического подключения устройства обеспечивается автоматическая конфигурация в составе вычислительной системы.
FSB – шина, которая используется для связи процессора с оперативной памятью компьютера, эта шина работает на частоте 133-МГц и выше. Пропускная способность до 800 Мб/сек. Частота работы шины FSB является основным параметром, который указывается в спецификации материнской платы.
AGP – специальный шинный интерфейс, который предназначен для подключения видео адаптера. Этот интерфейс необходим в современных вычислительных устройствах, потому что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптера по быстродействию. Пропускная способность 1066 Мб/сек. В отличие от шины PCI для порта AGP возникают проблемы совместимости карт акселераторов с типом системной платы (чипсета) и процессора даже при формальном соответствии их параметров.
USB – стандарт универсальной последовательной шины, который определяет способ взаимодействия компьютера с современным периферийном оборудованием. Этот порт разрешает подключать 256 различных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подключаться последовательно (цепочкой). Преимущество этого стандарта в том, что периферийное устройство можно подключать. Во время текущего сеанса работы без перезагрузки. Этот порт позволяет соединять компьютеры в сеть без использования специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Конфигурирование шин расширения предполагает в основном настройку их временных параметров:

Для шины PCI задается частота синхронизации, кроме того, с CMOS Setup для этой шины могут определяться некоторые её возможные режимы – конкурентные обращения, слежение за палитрами.
Для порта AGP задается частота, поддерживаемые режимы, а также апертуры AGP.
Для шин ISA и PCI иногда настройками CMOS Setup приходится распределять системные ресурсы (главным образом, линии запросов прерываний).
Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу-выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления шины ISA, но в настоящее время понижение её производительности не сильно отражается на производительности компьютера в целом.

сокращенным набором команд ) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное "правило 80/20": в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.

Первый "настоящий" RISC - процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC -процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.

По данным независимой компании IDC , в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%

Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISC-процессоров в семействе IA-32 . В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память , и добавился целый ряд новых команд.

Основные особенности RISC -процессоров:

Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).
Большинство команд выполняется за 1 такт.
Большое количество регистров общего назначения.
Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.
Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.
Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.
Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

RISC-процессоры 3-го поколения

Самыми крупными разработчиками RISC -процессоров считаются Sun Microsystems ( архитектура SPARC - Ultra SPARC ), IBM (многокристальные процессоры Power , однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment ( Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 -- R 10000), а также Hewlett-Packard ( архитектура PA-RISC - PA-8000).

Все RISC -процессоры третьего поколения:

являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);
имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;
имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;
изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.

Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.

Повышение производительности RISC -процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC , наиболее сложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard. Рассмотрим процессоры этих фирм более подробно.

Структура процессоров Alpha: 21064, 21264

Структура процессора Alpha 21064 представлена на рис. 10.1 .

Рис. 10.1.

Основные функциональные блоки процессора Alpha 21064:

I-cache - кэш команд.
IRF - регистровый файл целочисленной арифметики.
F-box - устройство арифметики с плавающей точкой.
E-box - устройство целочисленной арифметики (7 ступеней конвейера ).
I-box - командное устройство (управляет кэш команд, выборкой и дешифрацией команд).
A-box - устройство управления загрузкой/сохранением данных. Управляет процессом обмена данными м/у IRF, FRF , кэш данных и внешней памятью.
Write Buffer - буфер обратной записи.
D-cache - КЭШ данных.
BIU - интерфейсный блок, с помощью которого подключаются внешняя кэшпамять, размером 128 Кб-8 Мб.

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264

Процессор Alpha 21264 отличается значительной новизной по сравнению с предшественником 21164. Он обладает кэш-памятью первого уровня большего объема, дополнительными функциональными блоками, более эффективными средствами предсказания ветвлений, новыми инструкциями обработки видеоданных и широкой шиной.

Alpha 21264 читает до четырех инструкций за один такт и может одновременно исполнять до шести инструкций. Самое большое его отличие от модели 21164 - это способность выполнять команды (впервые для Alpha) с изменением их очередности (Out-of-Order).

Эффективность выполнения Out-of-Order определяется количеством инструкций, которыми может манипулировать ЦП в целях определения оптимального порядка выполнения команд. Чем больше инструкций ЦП может для этого использовать, тем лучше, тем дальше он может заглядывать вперед. Процессоры Intel класса Р6 ( Pentium Pro , Pentium II, Xeon) могут одновременно обращаться не менее чем с 40 командами. У других процессоров данный показатель значительно больше: PA-8000 фирмы HP оперирует 56 командами, а процессор Alpha справляется с 80 командами.

Как и большинство RISC-процессоров, Alpha содержит набор из 32 целочисленных и 32 регистров с плавающей запятой, все они имеют разрядность 64 бита. Для повышения эффективности внеочередного выполнения команд процессор 21264 дополнительно к обычному набору регистров снабжен еще 48 целочисленными регистрами и 40 регистрами с плавающей запятой.

Каждый регистр может временно хранить значения текущих команд. Если обрабатывается какая-либо инструкция, нет необходимости перегружать результат в целевой регистр - вместо этого ЦП просто переименовывает временный регистр ( Register Renaming ).

Подобное переименование регистров есть и в других процессорах. Однако в 21264 реализована уникальная "хитрость" - он имеет задублированный набор целочисленных регистров, каждый из 80 целочисленных регистров дублируется еще раз. Таким образом, на чипе в целом - 160 целочисленных регистров. Это одна из причин, почему, несмотря на сложность выполнения Out-of-Order, допустима высокая частота процессора 21264.

Блоки целочисленных операций в обеих группах идентичны не полностью. Одна из них содержит блок умножения, а вторая - специальную логику для обработки движущихся изображений (MPEG). Для этого набор команд Alpha был дополнен пятью новыми командами. Самая интересная из них - PERR - служит для оценки движения, т.е. выполнения задачи, возникающей как при сжатии, так и декомпрессии MPEG. Команда PERR выполняет работу девяти обычных инструкций. Таким образом, процессор 21264 может декодировать видеопоследовательности MPEG-2, а также DVD-аудиоданные AC-3 в режиме реального времени без использования дополнительных периферийных устройств.

RISC-архитектура — компьютер с уменьшенным набором инструкций. Является типом микропроцессорной архитектуры, которая использует небольшой оптимизированный набор инструкций в отличие от предшестувующих типов архитектур с расширенным набором алгоритмических данных. Термин RISC был придуман Дэвидом Паттерсоном из проекта Berkeley RISC.

Определение

Компьютер с ограниченным набором команд - это устройство, чья архитектура набора инструкций (ISA) имеет набор атрибутов, который позволяет ему иметь более низкие циклы на инструкцию (CPI), чем сложная команда, установленная на компьютер (CISC). Общая концепция RISC — это концепция компьютера, который содержит небольшой набор простых и общих алгоритмов, но не расширенный набор сложных и специализированных последовательностей. Другим распространенным признаком RISC является архитектура загрузки/хранения, где доступ к памяти осуществляется только с помощью определенных инструкций.

История и развитие

Первые проекты RISC пришли из IBM, Stanford и UC-Berkeley в 70-х и 80-х гг. ХХ века. IBM 801, Stanford MIPS и Berkeley RISC I и II были разработаны с аналогичной философией, которая стала известна как RISC. Некоторые особенности дизайна были характерны для большинства RISC-процессоров:

Хотя ряд компьютеров 1960-х и 70-х годов являлись предшествующими моделями RISC, современная концепция относится к 1980-м годам. В частности, два проекта в Стэнфорде и Калифорнийском университете масштабируют эту концептуальную идею. Стэнфордский MIPS станет коммерчески успешной моделью, в то время как университет в Беркли дал название всей концепции, коммерциализированной как SPARC. Другим успехом этой эпохи были усилия IBM, которые в конечном итоге привели к Power Architecture. По мере развития этих направлений в конце 1980-х гг., и особенно в начале 1990-х гг., процветало множество подобных проектов, представляющих собой основную силу на рынке рабочих станций Unix, а также встроенные процессоры в лазерных принтерах, маршрутизаторах и аналогичных продуктах.

Плюсы и минусы архитектуры RISC

Простейший способ изучить преимущества и уязвимости архитектуры RISC - это сопоставить ее с предшествующей архитектурой CISC. Основная цель архитектуры CISC — завершить задачу за меньшее количество линий сборки. Это достигается за счет создания процессорного оборудования, способного понимать и выполнять ряд операций. Для этой конкретной задачи процессор CISC выпускается с конкретной инструкцией (MULT). При выполнении эта команда загружает два значения в отдельные регистры, умножает операнды в исполнительном модуле и затем сохраняет продукт в соответствующем регистре. Таким образом, вся задача умножения двух чисел может быть завершена одной инструкцией: MULT 2: 3, 5: 2. CISC и RISC-архитектура — предшествующее и последующее архитектурное решение.

MULT - это то, что известно как «сложная инструкция». Команда работает непосредственно в банках памяти компьютера и не требует, чтобы программист явно вызывал любые функции загрузки или сохранения. Она очень похожа на команду на языке более высокого уровня. Например, если мы допустим, что a представляет значение 2:3, а b представляет значение 5:2, то эта команда идентична выражению C a = a * b.

Одно из основных преимуществ этой системы заключается в том, что компилятор должен выполнить минимум работы, чтобы перевести формулировку языка высокого уровня в сборку. Поскольку длина кода относительно короткая, для хранения инструкций требуется очень небольшое ОЗУ. При сравнительном анализе CISC и RISC-архитектуры процессоров акцент ставится на реализации сложных инструкций непосредственно в аппаратном обеспечении.

Подход RISC

Процессоры RISC используют только элементарные инструкции, которые выполняются за один такт. Таким образом, описанная выше команда MULT может быть разделена на три отдельные команды: LOAD, которая перемещает данные из банка памяти в регистр PROD, который находит произведение двух операндов, расположенных внутри регистров, и STORE, который перемещает данные из регистра в банки памяти. Чтобы выполнить точный ряд шагов, описанных в подходе CISC, программисту необходимо будет закодировать четыре строки сборки:

LOAD A, 2:3.
LOAD B, 5:2.
PROD A, B.
STORE 2:3, А.

Изначально это может показаться гораздо менее эффективным способом завершения операции, поскольку существует больше строк кода и для хранения инструкций уровня сборки требуется больше ОЗУ. Компилятор также должен выполнить больше работы, чтобы преобразовать формулировку языка высокого уровня в код этой формы.

Сравнение CISC и RISC

Ниже представлены сравнительные данные CISC и RISC-архитектуры:

Акцент на аппаратном обеспечении.
Включает многочасовые сложные инструкции.
Небольшие размеры кода, высокие циклы в секунду.
Транзисторы, используемые для хранения сложных инструкций.

Акцент на программном обеспечении.
Сокращенная инструкция, не требующая большого количества времени.
Низкие циклы в секунду, большие размеры кода.
Тратит больше транзисторов на регистрах памяти.

Стратегия RISC вносит некоторые очень важные преимущества. Поскольку каждая команда требует выполнения только одного такта, вся программа будет выполняться примерно в такое же количество времени, что и многоцилиндровая команда MULT. Эти «сокращенные инструкции» RISC требуют меньше транзисторов аппаратного пространства, чем сложные инструкции, оставляя больше места для общих регистров. Поскольку все инструкции выполняются в единое время (например, один такт), возможна конвейерная обработка.

Характеристика процесса

Разделение инструкций LOAD и STORE фактически уменьшает объем работы, которую должен выполнить компьютер. После выполнения команды MULT в стиле CISC процессор автоматически стирает регистры. Если один из операндов необходимо использовать для другого вычисления, процессор должен перезагрузить данные из банка памяти в регистр. В RISC операнд останется в регистре, пока на нем не будет загружено другое значение.

Подход CISC пытается минимизировать количество инструкций для каждой программы, жертвуя количеством циклов на инструкцию. RISC же, наоборот, уменьшает количество циклов за счет инструкций для каждой программы.

Сложности коммерцеской реализации

Несмотря на преимущества обработки на основе RISC, прошли десятилетия прежде, чем чипы RISK были коммерчески востребованы. Во многом это было связано с отсутствием поддержки программного обеспечения.

Хотя линейка Power Macintosh от Apple, в которой использовались чипы на основе RISC и Windows NT, совместима с RISC, Windows 3.1 и Windows 95 были разработаны с учетом процессоров CISC. Многие компании не желали рисковать появляющейся технологией RISC. Без коммерческого интереса разработчики процессоров не смогли изготовить чипы RISC в достаточно больших объемах, чтобы сделать их цену конкурентоспособной.

Еще одним серьезным препятствием стало присутствие Intel. Несмотря на то, что их чипы CISC стали все более громоздкими и сложными в разработке, Intel обладала ресурсами для разработки мощных процессоров. Хотя чипы RISC могли превзойти усилия Intel в определенных областях, различия не были достаточно велики, чтобы убедить покупателей менять технологии.

Общее преимущество RISC

Сегодня Intel x86 является единственным чипом, который сохраняет архитектуру CISC. Это связано прежде всего с продвижением в других областях компьютерной техники. Цена ОЗУ резко снизилась. В 1977 году 1 МБ DRAM стоил около 5000 долларов. К 1994 году такой же объем памяти стоит всего 6 долларов США (с учетом инфляции). Технология компилятора также стала более сложной, так что использование RISC RAM и акцент на программное обеспечение стали идеальными.

Философия набора инструкций

Ошибочным пониманием определения RISK является идея того, что процедуры устраняются, что приводит к сокращенному набору алгоритмов. На протяжении многих лет процедуры RISC увеличивались, и в настоящее время многие из них имеют более широкий набор функций, чем CPU CISC.

Под термином «уменьшенный набор процедур» подразумевается описание того факта, что объем работы, выполняемый каждой инструкцией, сокращается (не более одного цикла памяти) сравнительно с усложненными процедурами CISC, которые требуют десятки циклов для выполнения одной команды. RISC-архитектура обычно имеет отдельные алгоритмы ввода-вывода и работы с данными.

Формат инструкции

Большинство архитектур RISC имеют инструкции с фиксированной длиной (обычно 32 бита) и простое кодирование, что значительно упрощает выборку, декодирование и выдачу логики. Одним из недостатков 32-разрядных инструкций является снижение плотности кода, что является неблагоприятным фактором для встроенных вычислений на рабочих станциях и серверах. Архитектуры RISC изначально были предназначены для обслуживания. Для решения этой проблемы несколько архитектур, таких как ARM, Power ISA, MIPS, RISC-V и Adipteva Epiphany, имеют необязательный короткий сокращенный формат инструкции или функцию сжатия команд. SH5 также следует этой схеме, хотя и развился в обратном направлении, добавив более длинные мультимедийные инструкции к оригинальной 16-битной кодировке.

Использование оборудования

Для любого заданного уровня общей производительности микросхема RISC, как правило, имеет гораздо меньше транзисторов, предназначенных для основной логики, которая первоначально позволяла дизайнерам увеличивать размер регистров и внутренний параллелизм.

Другие функции, которые обычно встречаются в архитектурах RISC:

Средняя производительность процессора приближается к одной инструкции за цикл.
Единый формат инструкции — используется одно слово с кодом операции в одних и тех же позициях для более простого декодирования.
Все регистры общего назначения могут использоваться в качестве источника/назначения во всех инструкциях, упрощая разработку компилятора (регистры с плавающей запятой часто сохраняются отдельно).
Простые режимы со сложной адресацией, выполняемые последовательностями команд.
Несколько типов данных в аппаратном обеспечении (например, байтовая строка или BCD).

В RISC-конструкциях также представлена модель памяти Гарварда, где команды и данные концептуально разделены. Это означает, что изменение памяти, в которой хранится код, может не повлиять на инструкции, выполняемые процессором (поскольку ЦП имеет отдельный кэш команд и данных), до тех пор, пока не будет выдана специальная инструкция синхронизации. С другой стороны, это позволяет одновременно обращаться к кэшам, что часто повышает производительность.

Особенности RISC-архитектуры

На начальном этапе развития компьютерной индустрии программирование проводилось на или машинного кода, что поощряло использование мощных и простых в использовании инструкций. Поэтому разработчики ЦП пытались проектировать алгоритмы, способные выполнять как можно большую работу. С появлением языков более высокого уровня архитекторы начали создавать специальные инструкции для непосредственного внедрения определенных центральных механизмов. Вторая общая цель заключалась в том, чтобы обеспечить все возможные режимы адресации для каждого алгоритма, известного как ортогональность, для облегчения реализации компилятора.

Отношение к тому времени заключалось в том, что дизайн аппаратного обеспечения был более зрелым, чем дизайн компилятора, поэтому сам по себе также является причиной внедрения частей функциональности в аппаратном или микрокоде, а не только в ограниченном памятью компиляторе (или в его сгенерированном коде). После появления RISC этот подход стал известен как сложные вычисления набора команд, или CISC.

У процессоров также было относительно мало регистров по нескольким причинам:

Практическое применение

RISC-архитектура процессора теперь используются на большом спектре платформ: от смартфонов и планшетных ПК до некоторых из самых высокопродуктивных суперкомпьютеров, таких как компьютер K (лидер списка топ-500 в 2011 г.).

К началу XXI века большинство низкопрофильных и мобильных систем основывались на архитектуре RISC. Примеры:

доминирует на рынке для маломощных и недорогих встроенных систем (200-1800 МГц в 2014 году). Она применяется в ряде большинства Android-систем, Apple iPhone и iPad, Microsoft Windows Phone (бывшая Windows Mobile), устройства RIM (topic.risc.архитектура), Nintendo Game Boy Advance, DS/3DS и Switch.
Линия MIPS (в какой-то момент используется во многих компьютерах SGI), а теперь - в PlayStation, PlayStation 2, Nintendo 64 (ipb.risc.архитектура), игровых консолях PlayStation Portable и шлюзах для жилых помещений, таких как Linksys WRT54G .
Hitachi SuperH, использующийся в Sega Super 32X, Saturn и Dreamcast (viewtopic.php.risc.архитектура), теперь разработан и продан Renesas как SH4.
Atmel AVR используется в разных продуктовых линейках: от портативных контроллеров Xbox до автомобилей BMW .
RISC-V (vbulletin.risc.архитектура), пятый Berkeley RISC ISA с открытым исходным кодом, с 32-разрядным адресным пространством, небольшим ядром целочисленного набора команд, экспериментальной «сжатой» ISA для плотности кода и предназначенной для стандартных и специальных расширений.
Рабочие станции, серверы и суперкомпьютеры.
MIPS (powered.by.smf.risc.архитектура), Silicon Graphics (в 2006 году прекратила создание систем на основе MIPS).
SPARC, Oracle (ранее Sun Microsystems) и Fujitsu (phorum.risc.архитектура).
Архитектура IBM Power Architecture, применяемая в большинстве суперкомпьютеров IBM, серверах усредненного уровня и терминальных станциях.
PA-RISC Hewlett-Packard (phpbb.risc.архитектура), также именуемый как HP-PA (прекращен в конце 2008 года).
Alpha, используется в рабочих станциях, серверах и суперкомпьютерах от Digital Equipment Corporation, Compaq и HP (прекращено с 2007 года).
RISC-V (powered.by.phpbb.risc.архитектура), пятый Berkeley RISC ISA, с открытым исходным кодом, с 64 или 128-битными адресными пространствами и целым ядром, расширенным с плавающей точкой, атомизацией и векторной обработкой, и разработанный для расширения с инструкциями для сетей, ввода-вывода, обработки данных. 64-битный суперскалярный дизайн Rocket доступен для скачивания.

Сравнение с другими архитектурами

Некоторые процессоры были специально разработаны с очень небольшим набором инструкций, но эти конструкции значительно отличаются от традиционных RISC-архитектур, поэтому им были предоставлены другие данные, такие как минимальный набор команд (MISC) или транспортная инициированная архитектура (TTA).

Архитектуры RISC традиционно имели мало успехов на рынке настольных ПК и товарных серверов, где платформы на базе x86 остаются доминирующей архитектурой процессора. Однако это может измениться, поскольку процессоры на базе архитектуры ARM разрабатываются для систем с более высокой производительностью. Производители, включая Cavium, AMD и Qualcomm, выпустили на базе архитектуры ARM. ARM также сотрудничала с Cray в 2017 году, чтобы создать суперкомпьютер на базе архитектуры ARM. Компания-лидер компьютерной индустрии Microsoft объявила, что в рамках партнерства с Qualcomm в 2017 году планируется поддержка ПК-версии Windows 10 на устройствах на базе Qualcomm Snapdragon. Эти устройства будут поддерживать программное обеспечение Win32 на базе x86 с помощью эмулятора процессора x86.

Тем не менее помимо настольной арены архитектура ARM RISC широко используется в смартфонах, планшетах и многих формах встроенного устройства. Также Intel Pentium Pro (P6) использует внутреннее RISC-процессорное ядро для своих процессоров.

В то время как начальные разработки RISC-архитектуры процессора значительно отличались от инновационных проектов CISC, к 2000 году самые высокопроизводительные процессоры в линейке RISC почти не отличаются от самых высокопроизводительных процессоров в линии CISC.

В данной статье мы расскажем о том, что такое центральный процессор и как он работает.

Центральный процессор или процессор – один из самых важных компонентов, который мы можем найти практически во всех современных высокотехнологичных устройствах.

Однако у большинства из нас есть довольно плохие представления о том, что они делают и как они это делают, о том, как они стали сложными технологическими чудесами, каковы основные современные типы.

Итак, сегодня мы попытаемся подробно рассказать о самых важных аспектах различных компонентов, которые дают жизнь всем тем устройствам, которые помогают нам наслаждаться более высоким качеством жизни.

Что такое центральный процессор?

Хотя нельзя сказать, что в компьютере есть одна самая важная часть, так как более одного из них абсолютно необходимы для его работы, центральный процессор или процессор можно считать краеугольным камнем этих машин. И именно этот компонент отвечает за вычисления, упорядочивание или обработку, концепции, которые определяют современные компьютеры и ноутбуки.

В настоящий момент они представляют собой сложные технологии, разработанные с использованием микроскопических архитектур, большинство из которых представлены в виде одного чипа, довольно небольшого, оттуда они назывались микропроцессорами несколько десятилетий назад.

Сегодня процессоры находятся практически в каждом объекте, который мы используем в наши дни: телевизоры, смартфоны, микроволновые печи, холодильники, автомобили, звуковое оборудование и, конечно же, персональные компьютеры. Тем не менее, это были не всегда чудеса технологий, которыми они являются сейчас.

История возникновения процессоров

Было время, когда процессоры состояли из огромных арматов, которые вполне могли заполнить комнату. Эти первые шаги компьютерной инженерии в основном состояли из пустых трубок, которые, хотя в то время были значительно более мощными для альтернатив, образованных электромеханическими реле, сегодня 4 МГц, которые, по большей мере, они достигали, казались нам смехом.

С появлением транзисторов в 50-х и 60-х годах началось создание процессоров, в дополнение к меньшим и более мощным, а также намного более надежным, поскольку машины, созданные вакуумными трубами, как правило, имели средний отказ каждые 8 часов.

Однако, когда мы говорим о сокращении, мы не имеем в виду, что они вписываются в ладонь. И все еще большие процессоры состояли из десятков печатных плат, которые были связаны друг с другом, чтобы обеспечить жизнь одному процессору.

После этого появилось изобретение интегральной схемы, которая в основном связывала все в одной печатной плате или пластине, что стало первым шагом к достижению современного микропроцессора. Первые интегральные схемы были очень простыми, поскольку они могли группировать только несколько транзисторов, но на протяжении многих лет получилось добиться экспоненциального роста числа транзисторов, которые можно было бы добавить в интегральную схему, к середине шестидесятых годов. Мы уже имели первых сложные процессоры, которые состояли из одной пластины.

Первый микропроцессор как таковой будет представлен на рынке уже в 1971 году, это был Intel 4004, а с тех пор остальное – история. Благодаря быстрой эволюции этих небольших чипов и их большой гибкости они полностью монополизировали компьютерный рынок, поскольку, за исключением очень специфических приложений, требующих высокоспециализированного оборудования, они являются ядром практически всех современных компьютеров.

Как работает центральный процессор (ЦП)?

Упрощение до крайности и в дидактических терминах работа процессора дается четырьмя фазами. Эти фазы необязательно всегда раздельны, но обычно перекрываются и всегда происходят одновременно, но не обязательно для конкретной функции.

На первом этапе процессор отвечает за загрузку кода из памяти. Другими словами, прочитайте данные, которые необходимо обработать позже. В этой первой фазе существует общая проблема в архитектуре процессоров и заключается в том, что существует максимум данных, которые могут считываться по периоду времени и обычно уступают тем, которые могут быть обработаны.

Во второй фазе происходит первый этап обработки как таковой. Информация, прочитанная на первом этапе, анализируется в соответствии с набором инструкций. Таким образом, в пределах прочитанных данных будут описательные фракции для набора инструкций, которые укажут, что делать с остальной информацией. Чтобы привести практический пример, есть код, который указывает, что данные пакета должны быть добавлены вместе с данными другого пакета, причем каждый пакет представляет собой информацию, которая описывает число, посредством чего получается общая арифметическая операция.

Затем идет фаза, которая продолжается со свободной обработкой, и отвечает за выполнение команд, декодированных на второй фазе.

Наконец, процесс завершается фазой записи, где снова загружается информация, только на этот раз от процессора к памяти. В некоторых случаях информация может быть загружена в память процессора, которая будет повторно использована позже, но как только обработка конкретной работы будет завершена, данные всегда заканчиваются записью в основную память, где она может быть записана в блок хранения, в зависимости от приложения.

Основные современные архитектуры процессоров

Как мы уже говорили, функция процессора заключается в интерпретации информации. Данные загружаются из разных систем памяти в виде двоичного кода, и именно этот код должен быть преобразован процессором в полезные данные приложениями. Указанная интерпретация реализуется с помощью набора инструкций, что и определяет архитектуру процессора.

В настоящее время в основном используются две архитектуры RISC и CISC. RISC дает жизнь процессорам, разработанным британской фирмой ARM, которая с ростом мобильных устройств значительно выросла. Кроме того, PowerPC, архитектура, которая дала жизнь компьютерам Apple, серверам и консолям Xbox 360 и PlayStation 3, основана на RISC. CISC – это архитектура, используемая в процессорах AMD Intel и X86-64 X86.

Что касается архитектуры, которая лучше, то всегда говорилось, что быть более чистым и оптимизированным RISC будет будущее вычислений. Тем не менее, Intel и AMD никогда не поддавались на изгибе и сумели создать очень прочную экосистему вокруг своих процессоров, которые, хотя и сильно загрязнены устаревшими элементами обратной совместимости, всегда поддерживали своих конкурентов.

В целом, благодаря своей гибкости и относительной простоте производства, в течение нескольких лет больше процессоров останется центральным элементом современных вычислений. Но мы всегда должны помнить, что с течением лет развиваются параллельные технологии, которые помогают децентрализовать нагрузку, и сегодня более чем когда-либо графические процессоры, более мощные, но менее гибкие, начали приобретать почти такое же значение.