Производительностьмикропроцессоров.Типымикропроцессоров.

Производительностьпроцессора-этомаксимальноеколичествоопераций,которыеонспособенвыполнитьзасекунду.

CISC-процессоры

Complexinstructionsetcomputer—вычислениясосложнымнаборомкоманд.Процессорнаяархитектура,основаннаянаусложнённомнаборекоманд.ТипичнымипредставителямиCISCявляютсямикропроцессорысемействаx86.

CISC—концепцияпроектированияпроцессоров,котораяхарактеризуетсяследующимнаборомсвойств:

· нефиксированноезначениедлиныкоманды;

· арифметическиедействиякодируютсяводнойкоманде;

· небольшоечислорегистров,каждыйизкоторыхвыполняетстрогоопределённуюфункцию.

НедостаткиCISCархитектуры:

· высокаястоимостьаппаратнойчасти;

· сложностисраспараллеливаниемвычислений.

RISC-процессоры

Reducedinstructionsetcomputer—вычислениясупрощённымнаборомкоманд.Архитектурапроцессоров,построеннаянаосновеупрощённогонаборакоманд,характеризуетсяналичиемкомандфиксированнойдлины,большогоколичестварегистров,операцийтипарегистр-регистр,атакжеотсутствиемкосвеннойадресации.КонцепцияRISCразработанаДжономКокомизIBMResearch,названиепридуманоДэвидомПаттерсоном(DavidPatterson).

Упрощениенаборакомандпризваносократитьконвейер,чтопозволяетизбежатьзадержекнаоперацияхусловныхибезусловныхпереходов.Однородныйнаборрегистровупрощаетработукомпилятораприоптимизацииисполняемогопрограммногокода.Крометого,RISC-процессорыотличаютсяменьшимэнергопотреблениемитепловыделением.

СредипервыхреализацийэтойархитектурыбылипроцессорыMIPS,PowerPC,SPARC,Alpha,PA-RISC.ВмобильныхустройствахширокоиспользуютсяARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimuminstructionsetcomputer—вычислениясминимальнымнаборомкоманд.ДальнейшееразвитиеидейкомандыЧакаМура,которыйполагает,чтопринциппростоты,изначальныйдляRISC-процессоров,слишкомбыстроотошёлназаднийплан.Впылуборьбызамаксимальноебыстродействие,RISCдогналиперегналмногиеCISCпроцессорыпосложности.АрхитектураMISCстроитсянастековойвычислительноймоделисограниченнымчисломкоманд(примерно20-30команд).

VLIW-процессоры

VLIW(англ. verylonginstructionword —«оченьдлиннаямашиннаякоманда»)—архитектурапроцессоровснесколькимивычислительнымиустройствами.Характеризуетсятем,чтооднаинструкцияпроцессорасодержитнесколькоопераций,которыедолжнывыполнятьсяпараллельно.Фактическиэто«видимоепрограммисту»микропрограммноеуправление,когдамашинныйкодпредставляетсобойлишьнемногосвёрнутыймикрокоддлянепосредственногоуправленияаппаратурой.

Всуперскалярныхпроцессорахтакжеестьнескольковычислительныхмодулей,нозадачараспределениямеждунимиработырешаетсяаппаратно.Этосильноусложняетдизайнпроцессора,иможетбытьчреватоошибками.ВпроцессорахVLIWзадачараспределениярешаетсявовремякомпиляцииивинструкцияхявноуказано,какоевычислительноеустройстводолжновыполнятькакуюкоманду.ПримеромVLIW-процессораявляетсяIntelItanium.

Типыархитектурмикропроцессорныхсистем.

Архитектура фон Неймана

Дж.фонНейманпридумалсхемупостройкикомпьютерав1946году.

ОтличительнойособенностьюархитектурыфонНейманаявляетсято,чтоинструкциииданныехранятсяводнойитойжепамяти.

Вразличныхархитектурахидляразличныхкомандмогутпотребоватьсядополнительныеэтапы.Например,дляарифметическихкомандмогутпотребоватьсядополнительныеобращениякпамяти,вовремякоторыхпроизводитсясчитываниеоперандовизаписьрезультатов.

Этапыциклавыполнения:

1.) Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.

2.) Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.

3.) Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.

4.) Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

Данныйциклвыполняетсянеизменно,иименноонназывается процессом (откудаипроизошлоназваниеустройства).

Вовремяпроцессапроцессорсчитываетпоследовательностькоманд,содержащихсявпамяти,иисполняетих.Такаяпоследовательностькомандназываетсяпрограммойипредставляеталгоритмработыпроцессора.Очерёдностьсчитываниякомандизменяетсявслучае,еслипроцессорсчитываеткомандуперехода,—тогдаадресследующейкомандыможетоказатьсядругим.Другимпримеромизмененияпроцессаможетслужитьслучайполучениякомандыостановкаилипереключениеврежимобработкипрерывания.

Командыцентральногопроцессораявляютсясамымнижнимуровнемуправлениякомпьютером,поэтомувыполнениекаждойкомандынеизбежноибезусловно.Непроизводитсяникакойпроверкинадопустимостьвыполняемыхдействий,вчастности,непроверяетсявозможнаяпотеряценныхданных.Чтобыкомпьютервыполнялтолькодопустимыедействия,командыдолжныбытьсоответствующимобразоморганизованыввиденеобходимойпрограммы.

Скоростьпереходаотодногоэтапациклакдругомуопределяетсятактовымгенератором.Тактовыйгенераторвырабатываетимпульсы,служащиеритмомдляцентральногопроцессора.Частотатактовыхимпульсовназываетсятактовойчастотой.

Суперскалярная архитектура

Способностьвыполнениянесколькихмашинныхинструкцийзаодинтактпроцессорапутемувеличениячислаисполнительныхустройств.Появлениеэтойтехнологиипривелоксущественномуувеличениюпроизводительности,втожевремясуществуетопределенныйпределростачислаисполнительныхустройств,припревышениикоторогопроизводительностьпрактическиперестаетрасти,аисполнительныеустройствапростаивают.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

1) Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.

2) Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана ГовардомЭйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

Классическаягарвардскаяархитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

· выборку двух операндов,

· выбор инструкции и её выполнение,

· и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими.

Параллельная архитектура

АрхитектурафонНейманаобладаеттемнедостатком,чтоонапоследовательная.Какойбыогромныймассивданныхнитребовалосьобработать,каждыйегобайтдолженбудетпройтичерезцентральныйпроцессор,дажееслинадвсемибайтамитребуетсяпровестиоднуитужеоперацию.Этотэффектназывается узкимгорлышкомфонНеймана.

Дляпреодоленияэтогонедостаткапредлагалисьипредлагаютсяархитектурыпроцессоров,которыеназываются параллельными. Параллельныепроцессорыиспользуютсявсуперкомпьютерах.

Возможнымивариантамипараллельнойархитектурымогутслужить(поклассификацииФлинна):

· SISD — один поток команд, один поток данных;

· SIMD — один поток команд, много потоков данных;

· MISD — много потоков команд, один поток данных;

· MIMD — много потоков команд, много потоков данных.