Лекция 9-10. Процессоры

Что такое процессор? Для чего он служит?

При проектировании полупроводниковых автоматов, реализующих некоторую вычислительную функцию, всегда возможно два случая:

· либо реализовать всю логику автомата (логические функции И, ИЛИ, НЕ, ЕСЛИ... ТО и другие) аппаратно, то есть создать микросборку или микросхему, реализующий данный алгоритм "в самом себе", либо

· создать некоторый "универсальный вычислитель", который реализует весь алгоритм программно.

При заманчивой простоте первого подхода возникают следующие сложности: проектирование, проверка работоспособности, отладка на опытном образце микросхемы, отладка технологии ее изготовления -- требуют много времени и средств, поэтому таким способом реализуются либо очень простые алгоритмы, либо микросхемы, реализующие массовые алгоритмы и поэтому выпускающиеся крупными сериями. Как раз к этим микросхемам относят микропроцессоры, способные не только работать по строго заданным алгоритмам, но и "эмулировать" множество других алгоритмов.

Вследствие этого, применение "универсального вычислителя" предпочтительней если необходимо:

· при использовании однотипных сложных алгоритмов, требующих вычислительной мощности и для которых не выгодно изготовлять микросхемы с "жесткой" логикой;

· при реализации редко используемых алгоритмов любой сложности, либо в устройствах, для которых требуется частая смена алгоритма (например, в автоматизированных технологических линиях, научных исследованиях и т.д.)

Во всех этих случаях требуется некоторое устройство, являющимся этим вычислителем. Он называется "процессором".

Процессор – от латинского "продвижение" -- часть вычислительного устройства, включающего АЛУ и УУ

Процессор и микропроцессор

Исторически разделение процессоров на процессоры и микропроцессоры возникло в начале 70-х годов XX века, с началом производства больших интегральных схем (БИС, смотри J.1.) Собственно микропроцессор отличается от обычных процессоров тем, что располагается на одном кристалле БИС.

Если отслеживать поколения ЭВМ по элементной базе, можно увидеть, что с первого по третье поколение ЭВМ (на лампах, на транзисторах и на малых интегральных схемах) элементы ЭВМ (АЛУ, регистры) занимали много места (по площади платы), и поэтому объединять их в блоки по функциональному признаку не было смысла. Даже в ЭВМ III-го поколения существовали отдельные микросхемы сумматоров, регистров, дешифраторов, и часто было проще заменить отдельную неисправную микросхему, чем весь процессорный блок.

Ситуация стала меняться в конце 60-х годов XX века, когда, во-первых, уменьшились размеры элементов (так появились БИС), а во-вторых, увеличилась надежность и выход готовых микросхем. Тогда стали проводится исследования по построению процессора на одной микросхеме. От слов "микросхема" ("MICROchip") и процессор ("PROCESSOR") возникло понятие "микропроцессор" ("microprocessor"), а вовсе не от "миниатюрный процессор". Тогда микропроцессор считали чудачеством ученых и инженеров. В конце концов в 1968 году группа ученых во главе с Крэгом Барретом (Crag Barrett) выделилась со скандалом из Американского исследовательского центра, занимающегося разработкой технологии интегральных микросхем, в отдельную фирму -- Intel. Эта группа стала создавать микропроцессоры. Подробнее об этой фирме смотри раздел D.1. В 1969 году из этого же центра выделилась фирма AMD.

Объединение элементов процессора на одном кристалле повысила не только надежность, но и скорость его работы. После этого скорость работы процессоров увеличивали повышением его разрядности и частоты, о чем будет сказано ниже. Именно после возникновения микропроцессоров был сформулирован закон Мура -- производительность ЭВМ возрастает в целом в два раза каждые девять месяцев.

Тактовая частота.

Все операции в микропроцессоре синхронизируются со специальными синхроимпульсами, вырабатываемой специальной микросхемой -- таймером. Синхроимпульсы нужны для того, чтобы все схемы работали с одинаковой скоростью. Дело в том, что разные элементы схемы (триггеры, сумматоры, логические элементы, дешифраторы) по определению работают с разной скоростью. Это связано с технологическими (разная ширина базы у биполярных транзисторов, каналов у полевых транзисторов, разная протяженность элементов, их электрического сопротивления, подвижности электронов в разных направлениях кристалла), так и субъективными причинами (отклонения от технологии производства, условия эксплуатации, неравномерный нагрев микросхемы в приборе и т.п.) Поэтому в "логику" схемы вводят дополнительный элемент -- синхросигнал, и все операции происходят только в момент смены сигнала синхроимпульса с 0 на 1. Конечно, это намного замедляет работу системы, однако появляется гарантия, что операция будет происходить с текущими данными на "текущем" шаге, а не прошлыми или даже позапрошлыми, поступившими с опозданием в преобразователь данных из-за разной скорости работы элементов схемы.

Кажется очевидным, что чем выше тактовая частота, тем выше скорость работы процессора. Однако не все так просто. Чтобы сделать тактовую частоту выше, необходимо уменьшить элемент схемы (т.е. уменьшить расстояние, проходимое носителями заряда). Это, во-первых, сложно технологически. Во-вторых, увеличивается сопротивления каждого элемента. Это значит (закон Джоуля-Ленца), что процессор будет сильно нагреваться. А это, в свою очередь, приведет к еще большему изменению параметров микросхемы и скорости работы различных участков микросхемы. И мы опять пришли к исходному состоянию. В-третьих, усиливается т.н. "дробовой эффект" в приборе, что может совершенно изменить соотношение "сигнал - шум" в микросхеме и исказить сигнал. Короче, "за что боролись, на то и напоролись...".

Из статей начала 90-х годов XX века автор узнал, что брак при производстве интегральных микросхем в США достигал 95%! Чтобы цены на микропроцессоры не были астрономическими при таком браке, использовалась и до сих пор используется многоуровневая система контроля. На первом этапе партия тестируется на соответствие заявленным параметрам (с выходом 5%). Если пробная микросхема не выдерживает тесты, партию "понижают в сорте", и пробную микросхему тестируют на соответствие более низким нормам (например, снижают тактовую частоту на 100 МГц.) Если она удовлетворяет этим нормам, на всю партию выдается сертификат с этой нормой. Если же микросхема опять не удовлетворяет этим нормам, происходит дальнейшее снижение требований к партии и т.д.

Таким образом удается снизить брак до 30%. Однако, поскольку бракуется вся партия, в ней могут находиться и микросхемы с более высокими характеристиками, чем это указывается в сертификате. На этом основан так называемый "разгон" процессоров -- увеличение его тактовой частоты выше номинала. Часто такой прием срабатывает, и процессор нормально работает. Однако "разгон" может привести к перегреву и порче процессора и системного блока. Так что "думайте сами...".

Как уже указывалось, минимальное время исполнения команды -- один такт. Но некоторые операции выполняются медленнее, или включают в себя несколько более простых операций, Такие операции выполняются за несколько тактов. Поэтому самый лучший способ повышения скорости работы компьютера -- уменьшение количества тактов для одной сложной операции. Именно по этому пути идут разработчики архитектуры микропроцессоров.

Поиск по сайту: