Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Основные принципы работы современных процессоров



 

Микропроцессор представляет собой сложное электронное устройство для выполнения различных операций. Любой процессор поддерживает определенный набор команд, которые может исполнять, и содержит набор внутренних ячеек памяти, регистров, с которыми может работать гораздо быстрее, чем с внешней памятью. Различают два типа архитектуры микропроцессоров - CISC и RISC.

CISC (Complex Instruction Set Computer) подразумевает, что процессор поддерживает очень большой набор команд (более 200) и имеет небольшое число регистров. В свою очередь, RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор команд и большое число внутренних регистров. Споры о том, что лучше, идут до сих пор. RISC-процессоры работают быстрее, т. к. команды простые. И стоят дешевле, но программы для них занимают больше места, чем для CISC. Именно поэтому в условиях дефицита оперативной памяти первоначальное развитие процессоров для персональных компьютеров пошло в направлении CISC-архитектуры. Все процессоры, совместимые с набором команд х86, являются CISC-процессорами, хотя некоторые могут иметь элементы RISC-архитектуры. Микропроцессоры пятого поколения имеют 64-разрядную шину данных и адресов. Могут работать с 8-, 16- и 32- битными данными, поддерживают конвейерную структуру и обладают возможностью предсказывать направление переходов в программе. Процессоры, обладающие немного большими возможностями, как правило, относят к шестому поколению. Рассмотрим основные принципы работы современных процессоров.

Прежде всего, отметим, что процессор выполняет программу, которая хранится в памяти. Программа представляет собой набор команд (инструкций) и данных. Последовательно считывая команды, процессор выполняет соответствующие действия. Каждая команда представлена несколькими байтами, причем длина ее не фиксирована и может составлять от 1 до 15 байт.

Так, в процессоре пятого поколения можно выделить следующие основные части:

q блок целочисленных вычислений;

q блок вычислений с плавающей точкой;

q кэш-память;

q блок предсказания ветвлений;

q интерфейс шины;

q блок управления памятью.

Основная задача процессора - выполнять программу и делать это как можно быстрее. Самое простое решение - повышение тактовой частоты. Когда достигается предел, определяемый технологией изготовления, приходится искать другие способы повышения производительности. Именно набор подобных решений сделал Pentium быстрее 486-го процессора. Хотя оба работали на одной частоте.

 

Кэш(сасhе)-память

Кэш-память представляет собой быстродействующий буфер памяти, используемый для временного хранения данных, которые могут потребоваться процессору. Это позволяет процессору работать практически с полной скоростью без ожидания кода или данных, извлекаемых из более медленной оперативной памяти. Кэш-память реализована в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), установленных на системной плате или встроенных в процессор. Такая память впервые появилась на 486-х процессорах и по сей день является одним из эффективных методов увеличения производительности ПК.

Существуют два способа организации такой памяти: разделенная, когда данные и инструкции хранятся в разных местах, и единая, когда и данные и инструкции находятся в одной памяти. Второй метод более гибкий, так как позволяет динамично распределять память между данными и кодом, зато первый проще реализовать.

В современных ПК используются два уровня кэш-памяти, получившие название кэш-памяти первого (L1) и второго (L2) уровней (в некоторых серверных процессорах, например Itanium, применяется кэш-память третьего уровня - L3).

Основная особенность кэш-памяти первого уровня состоит в том, что она всегда интегрирована с ядром процессора и работает на той же частоте.

В системах класса Pentium (P5) кэш-память второго уровня обычно устанавливается на системной плате и работает соответственно с ее тактовой частотой. Intel значительно повысила производительность процессоров, переместив кэш-память с системной платы непосредственно в процессор, что повлекло за собой увеличение ее рабочей частоты до частоты процессора. Более современные процессоры содержат встроенную кэш-память второго уровня, которая работает на той же скорости, что и ядро процессора, причем скорости кэш-памяти первого и второго уровней одинаковы.

 

Конвейер

Прежде чем выполнить команду, процессор должен:

1) прочитать из памяти часть программы;

2) определить длину инструкции;

3) определить адрес ячейки памяти, если она используется в данной команде;

4) выполнить команду;

5) сохранить результат.

Как в любом конвейерном производстве, вся последовательность действий разбивается на этапы: выборка, декодирование, определение адреса, выполнение и сохранение. Как только очередная инструкция переходит на следующий этап, начинает выполняться новая.

Подобное решение резко повышало производительность и применялось еще в 486-х микропроцессорах. В Pentium впервые был применен двойной конвейер: команды могут исполняться параллельно, до двух за один такт. Практически все инструкции могут выполняться параллельно, за исключением операций с плавающей точкой и команд переходов. Общий прирост производительности при использовании второго конвейера составляет 15-20%. Понятия "суперскалярный" и "суперконвейерный" означает наличие более двух конвейеров и более пяти этапов в конвейере соответственно.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.