Слайд 1Введение в архитектуру персональных компьютеров
Особенности микропроцессоров
Слайд 2Процессоры отличаются:
Внутренней архитектурой
Системой команд
Внешним видом (корпусом)
Слайд 3
Набор команд
Архитектуры CISC и RISC
Две основные архитектуры набора команд -
CISC и RISC
CISC – Complete Instruction Set Computer
Архитектура с полным
набором команд
Микропроцессоры Intel
RISC – Reduced Instruction Set Computer
Архитектура с сокращенным набором команд
Популярны во всем мире, т.к. на такой архитектуре работают рабочие станции и серверы под управлением ОС Unix
Слайд 4Принципы RISC-архитектуры
Каждая команда выполняется за один такт (должен быть максимально
коротким)
Все команды имеют одинаковую длину и формат (упрощение логики управления
процессором)
Обработка данных происходит только в регистрах процессора, обращение к памяти только при операциях чтения и записи
Система команд должна обеспечивать поддержку языка высокого уровня
50 инструкций в архитектурах 1 поколения
Около 150 инструкций в современных RISC-процессорах
Слайд 5Особенности СISC-архитектуры
В систему команд добавлены «удобные» для программиста команды (маленькие
подпрограммы)
Ускорение разработки программ
Команды CISC-процессора имеют разную длину и время выполнения
Некоторые команды выполняются за несколько тактов
Производительность ниже
Слайд 6CISC и RISC – принципы и технологии.
«Архитектура каждого конкретного процессора
представляет собой результат множества компромиссов» (Хамахер и др.)
CISC-процессоры – персональные
компьютеры
RISC-процессоры – высокопроизводительные серверы и рабочие станции
Слайд 7Основные игроки на рынке процессоров
Корпорация Intel
Фирма AMD
(Advanced Micro Devices)
Cyrix
Sun
Motorola
Слайд 8Intel 8086
1978 год
16-разрядный!!!
(внутренняя архитектура)
20-разрядная шина адреса
(1 Мб ОП)
16-разрядная
шина данных
Слайд 9Intel 80186 и 80286 (1982 год)
80186 – для встроенных интеллектуальных
устройств
80286 – для ПК
Новые команды в системе команд
Защищенный режим (поддержка
многозадачности)
Механизм переключения задач
Поддержка виртуальной памяти
4-уровневая система защиты
24-разрядная шина адреса (16 Мб ОП)
16-разрядная шина данных
Слайд 10Intel 80386 – 1985 год
В 1985 году фирма Intel выпустила
первый 32-разрядный микропроцессор, ставший родоначальником семейства IA-32
32-разрядная арифметика!!!
Регистры блока обработки
чисел с фиксированной точкой стали 32-разрядными.
К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда).
Слайд 11Intel 80386
Архитектура 32-разрядного микропроцессора существенно отличается от архитектуры 16-разрядного
Увеличение разрядности
шины данных и шины адреса до 32 бит (4 Гб
ОП)
Впервые на кристалле микропроцессора кэш-память 1 уровня (L1) – для временного хранения команд и данных
(Основной кэш (L2) – на системной плате)
К используемым в реальном режиме четырем регистрам CS, DS, SS и ES добавлены еще два: FS и GS
Слайд 12Intel 80386
Кэширование – способ увеличения быстродействия системы за счет хранения
часто используемых данных и кодов в «кэш-памяти 1-го уровня» (быстрой
памяти), находящейся внутри микропроцессора.
Кэш-память – очень быстрое запоминающее устройство (время выборки из ОЗУ 60-70 нс; из кэша – 10-20 нс, т.е. в 3-4 раза быстрее)
ОП
Кэш-
память
Процессор
Слайд 13Кэширование
Идея
Команды из ОП выбираются и пересылаются в процессор, а их
копии помещаются в кэш.
Данные из основной памяти также пересылаются в
процессор, а их копии помещаются в кэш.
Если команда или данные понадобятся еще раз, они будут прочитаны не из памяти, а из кэша (например, циклы).
Внутренняя скорость выполнения команд, прочитанных из такого кэша (на одном кристалле с процессором) выше, чем скорость выборки команд и данных из ОП.
Слайд 14Иерархия памяти
Обычно в компьютере имеется два уровня
кэш-памяти.
Первичный кэш располагается
на микросхеме процесcора, называется кэшем первого уровня (L1)
Вторичный кэш располагается
между первичным кэшем и остальной памятью, имеет больший объем и называется кэшем второго уровня (L2).
Слайд 15Иерархия памяти
Вторичный кэш (L2)
Основная память
Внешняя память
Процессор
Регистры
Первичный кэш (L1)
Увеличение объема
Увеличение
быстродействия
и
стоимости хранения
одного бита
Слайд 16Иерархия памяти
Быстрее всего осуществляется доступ к данным, хранящимся в регистрах
процессора
(самый маленький объем)
Кэш процессора (L1) – небольшой объем
Вторичный кэш (L2)
– объем больше
Основная память (ОП) – значительно больше и намного медленнее кэша
(в типичном компьютере время доступа к ОП в 10 раз дольше времени доступа к кэшу L1).
Дисковая память – огромный объем недорогой памяти. Очень медленные операции.
Слайд 17Управление иерархией памяти
«Идея управления иерархической системой памяти состоит в том,
чтобы переместить команды и данные , которые будут использоваться в
ближайшее время,
как можно ближе к процессору.»
Каждый элемент, к которому обращается процессор помещается в кэш и остается там (локализация по времени).
Копируется не только сам элемент программы или данных, но несколько близлежащих (локализация в пространстве).
«Когда кэш полон и обращение происходит к отсутствующему слову памяти, принимается решение какой из блоков удалить из кэша, чтобы добавить новый блок, содержащий требуемое слово.»
Слайд 18Intel 80386
Упрощенные модели i386
Intel 386 SX (поддержка только 16-разр.)
Intel 386
DX (32-разр.)
Слайд 19Intel 80486 – 1989 год
В состав кристалла микропроцессора входит блок
обработки чисел с плавающей запятой (сопроцессор)
На кристалле микропроцессора располагается также
внутренняя кэш-память.
Объем кэш-памяти составляет 8 Кбайт (для кэширования и кодов, и данных)
Архитектура = ядро + периферийные блоки
Ядро работает на повышенной частоте
Упрощенная модель - i486 SX
Intel 486 DX 2 – удвоенная частота для ядра
Intel 486 DX 4 – утроенная частота для ядра
Слайд 20Скалярная архитектура
Intel 80486
В микропроцессоре i486 появился важный элемент архитектуры
– конвейер.
КОНВЕЙЕР – специальное устройство, реализующее такой метод обработки команд
внутри микропроцессора, при котором исполнение команды разбивается на несколько этапов.
Слайд 21Скалярная архитектура
Intel 80486
i486 имеет 5-ступенчатый конвейер:
выборка команды из кэш-памяти
или ОП;
декодирование команды;
генерация адреса (определение операндов в памяти);
выполнение операции с
помощью арифметико-логического устройства;
запись результата.
Таким образом, на конвейере может находиться одновременно пять команд на различной стадии выполнения существенно возрастает скорость вычислений.
Микропроцессоры, имеющие один конвейер, называются скалярными
Слайд 22Длительность выполнения команд
при последовательной и конвейерной обработке
Слайд 23Одновременно с Intel 80486
Более дешевые и высокопроизводительные по сравнению
с Intel 486 DX 4
процессоры фирм AMD
и Cyrix
AMD – K5
Am5x86-P75
Cyrix 5x86
(на данном этапе чуть обогнали)
Слайд 24Intel Pentium (586) – 1993 год
Суперскалярная архитектура
Микропроцессоры, имеющие более одного
конвейера, называются суперскалярными.
Pentium - 2 конвейера (+ 1 для вещественных
чисел)
Усовершенствованный блок вычислений с плавающей точкой
В Pentium обычные математические функции вычислений с плавающей точкой (+, *, / ) реализованы аппаратно (целочисленная конвейеризация дополнена 8-тактовыми конвейерными командами вычислений с плавающей точкой).
Итого 3 конвейера – 2 для целочисленных операций (5-тактовые), 1 – для операций с плавающей точкой (8-тактовые).
Слайд 25Intel Pentium (586)
Раздельное кэширование кода и данных
Pentium содержит уже 2
блока кэш-памяти:
один для кода, один для данных (по 8
Кб) увеличивается скорость работы компьютера за счет одновременного быстрого доступа к коду и данным.
Расширенная 64-битовая шина данных
Ускорение работы с памятью (за один такт считывается/записывается сразу несколько 8-байтных команд/данных )
Расширенная 64-битовая шина адреса
(объем ОП памяти)
32-разрядная внутренняя архитектура!!!
Слайд 26Intel Pentium (586)
Предсказание правильного адреса перехода
Под переходом понимается запланированное алгоритмом
изменение последовательного характера выполнения программы.
Типичная программа на каждые 6-8 команд
содержит 1 команду перехода (условные операторы, операторы цикла, оператор безусловного перехода и т.д.)
через каждые 6-8 команд необходимо очищать и заполнять заново конвейер теряются преимущества конвейеризации.
Слайд 27Механизм предсказания перехода
Вводится специальный буфер адресов перехода,
который хранит информацию
о последних переходах (для Pentium – о 256 переходах).
Для
команды, управляющей ветвлением, в буфере запоминаются сама команда, адрес перехода и предположение о том, какая ветвь программы будет выполнена следующей.
Блок предсказания адреса перехода прогнозирует решение программы.
Он основывается на предположении, что ветвь, которая была пройдена, будет использоваться снова (т.е. прогнозируется переход на начало цикла).
Если предсказание верно, переход осуществляется без задержки увеличение скорости работы. Вероятность правильного предсказания составляет около 80%.
Слайд 28Архитектурные особенности процессоров
Pentium
Суперскалярная архитектура
Раздельное кэширование кода и данных
Предсказание правильного адреса
перехода
Усовершенствованный блок вычислений с плавающей точкой
Расширенная 64-битовая шина данных и
шина адреса
Слайд 29Pentium Pro – 1995 год
Кэш-память использует собственную шину, независимую от
системной
= архитектура с двумя независимыми шинами
Увеличение пропускной способности каналов передачи
данных
3 конвейера по 14 ступеней
64-разрядная шина данных, 36-разрядная шина адреса
16 Кб внутренней кэш-памяти (8+8)
256 Кб - кэш второго уровня (в одном модуле с микропроцессором, но на отдельной микросхеме)
Слайд 30Pentium MMX – 1997 год
Ускорение 2D- и 3D-графики за счет
дополнительных регистров и типов данных
+ 57 команд команд для эффективной
обработки звука, видео, графики.
(операции, для которых Pentium требовалось выполнить десятки или сотни команд закодированы одной инструкцией)
!!! Под конкретное ПО – ОС Windows 95.
Слайд 31Pentium II – 1997 год
Улучшенные технические характеристики
(Pentium Pro + средства
MMX)
Рост тактовой частоты
Кэш-память L1 – 32 Кб (16+16)
Кэш-память L2 –
32 Кб
Слайд 32Pentium III – 1999 год
Усовершенствовано ядро процессора
Улучшена работа кэша L2
(объем 256 Кб)
10-ступенчатый конвейер
Слайд 33Pentium 4 – 2000 год
(7 поколение компьютеров)
По-прежнему, 32-разрядная внутренняя архитектура!!!
Улучшенные
характеристики традиционных блоков и технологий
Новые технологии
Данные считываются 4 раза за
1 такт
Гиперконвейерная обработка данных
20-ступенчатый конвейер (не очень хорошо)
Блок быстрого выполнения команд работает на удвоенной частоте ядра
Кэш-память с отслеживанием выполнения команд
Кэш-память L2 (256 Кб) интегрирована в микросхему.
Кэши l1, L2 соединены и обеспечивается быстрая передача данных между ними
Слайд 34Процессоры Intel Celeron
Упрощенная версия
процессоров Pentium II, III и 4
(для дешевых ПК)
уменьшен объем кэша L2 в 2 раза
Уменьшена разрядность
шин
Отсутствует ряд расширенных функций
Слайд 35Процессоры AMD
Более 20 лет конкурентной борьбы с корпорацией Intel
7 поколение
компьютеров в 2000 году представлено AMD K7 (Athlon)
Первыми наладили производство
процессора 8 поколения – с 64-разрядной внутренней архитектурой!!!
Сперва для промышленного применения –
AMD Opteron
Затем для настольных ПК – AMD64
!!! Требуется новая ОС, новое прикладное ПО
Athlon64 – одновременная поддержка и 32- и 64-разрядного ПО
Слайд 36МНОГОЯДЕРНЫЕ процессоры
Новая эра началась в 2005 году
(появилась информация о производстве
9-ядерных процессоров корпорации IBM для игровой приставки Play Station 3)
AMD и Intel начали производство двухъядерных процессоров
Слайд 37Многоядерные процессоры Intel
Intel Pentium D
Intel Pentium 4 Extreme Edition
На кристалле
формируется 2 стандартных процессора Pentium,
добавляются схемы для синхронизации их
работы
(ГРЕЕТСЯ!!!)
Intel Core 2
Интегрирует 2 ядра вместе
(снижение энергопотребления)
Слайд 38Семейство Intel Core 2
2006 год
Intel Core 2 Duo
Intel Core
2 Extreme – 4-ядерный
для серверов и игровых ПК
2007 год
Intel Core
2 Quad
для настольных ПК массового спроса
«Представленные летом 2006 года х86-процессоры Intel с новой микроархитектурой Сore впервые за последние годы резко опередили процессоры AMD по производительности, обладая при этом более низким энергопотреблением» (Кузьминский)
Слайд 39Семейство Intel Core 2
Тактовая частота в 2 раза меньше,
маленькое тепловыделение.
В 2 раза выше производительность по сравнению с Pentium 4.
Усовершенствования:
14-ступенчатый (целочисленный) конвейер
4 команды одновременно выполняются за каждый такт
Кэш L2 на кристалле двухядерного процессора – один на 2 ядра
«Применение общего кэша позволяет динамически распределять его емкость между ядрами. При этом исчезает необходимость дублировать общие для обоих ядер данные, как это происходит при использовании каждым ядром собственного кэша второго уровня.» (Кузьмицкий)
Слайд 40Новое в технологии Core
Предсказание переходов
Кроме традиционных средств предсказания
переходов для Pentium 4
(буфер «целей» перехода BTB, калькулятор адресов
перехода BAC и стек адресов возврата RAS)
в Core имеется еще два предсказателя.
Детектор циклов - служит для правильного предсказания выхода из цикла.
Обычное предсказание переходов на основе предыстории будет предсказывать очередное выполнение цикла. Чтобы предсказать выход из цикла, специальные счетчики отслеживают число итераций цикла до его завершения и используют эти данные в будущем для предсказания, когда из этого цикла следует выйти.
Слайд 41Новое в технологии Core
Предсказание переходов
Кроме традиционных средств предсказания
переходов для Pentium 4
(буфер «целей» перехода BTB, калькулятор адресов
перехода BAC и стек адресов возврата RAS)
в Core имеется еще два предсказателя.
2. Предсказатель косвенных переходов - относится к переходам, адрес которых не кодируется в команде непосредственно, а задается содержимым регистра (такие переходы предсказывать сложнее).
Этот предсказатель содержит таблицу, в которую заносятся вероятные адреса косвенных переходов. Когда фронтальная часть процессора обнаруживает косвенный переход и предсказывает, что он произойдет, он запрашивает эту таблицу, выбирая из нее соответствующий целевой адрес перехода
Слайд 42Процессор Intel® Core™2 Duo
высокая производительность
энергоэкономичность
изготовлены по 45-нанометровой производственной технологии с
использованием соединений гафния.
общая кэш-память второго уровня объёмом до 6
МБ
системная шина с частотой до 1333 МГц (для настольных ПК) и до 800 МГц (для портативных ПК)
Слайд 43Двухъядерный процессор
Intel® Core™2 Extreme
«Двухъядерные процессоры Intel Core 2
Extreme обеспечивают энергосбережение и высокую производительность в играх, а также
потрясающее качество видео и звука.» [www.intel.ru]
Слайд 444-ядерный процессор
Intel® Core™2 Extreme
обеспечивает еще более высокую производительность и
пониженное энергопотребление
Процессор Intel Core 2 Extreme QX9650
частота 3,0 ГГц
12 МБ общей кэш-памяти второго уровня
системная шина с частотой 1333 МГц
Слайд 45Четырехъядерный процессор
Intel® Core™2 Quad
«обеспечивает высочайшую скорость
выполнения ресурсоемких
задач
в многозадачных средах и
максимальную производительность
многопоточных приложений»
Четыре ядра,
до 12 МБ общей кэш-памяти второго уровня
(до 6 МБ на каждые 2 ядра),
системная шина с частотой до 1333 МГц
Слайд 46Многоядерные процессоры AMD
2006 год
AMD Athlon 64 X2 Dual Core
(два 64-разрядных
процессора на 1 кристалле)
2 ядра, у каждого свой кэш L2
Ядра
сильнее интегрированы, чем у Intel, меньше нагрев процессора
Слайд 47Прогноз
«Многоядерные микропроцессоры предоставляют большую вычислительную мощность посредством параллелизма, предлагают лучшую
системную организацию, работают на меньших тактовых частотах»
«Основной путь развития микропроцессоров
– рост числа ядер в микросхеме» (Кузьминский)
Слайд 482007 год
Был продемонстрирован прототип микропроцессора Intel, имеющего производительность уровня небольших
суперкомпьютеров — 1 TFLOPS.
Довольно крупная микросхема прототипа состоит из
80 процессорных ядер на одном кристалле, работающих на частоте 3,1 ГГц.
Подобный процессор позволил бы компьютеру выполнять, например, автоматический перевод с одного языка на другой в реальном времени.
