Типы многоядерных вычислительных систем

- -

Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада аль-Хоразмий

Самостоятельная работа

Тема: Типы многоядерных вычислительных систем

Период выполнения инструкций в процессоре.
Введение

1. 
   Режимы работы процессоров
   
2. 
   Управляющие регистры
   
3. 
   Прерывания и исключения
   
4. 
   Вопросы для самопроверки (защиты Л/р)
   
5. 
   Заключение.
   
6. 
   Список литературы.
   

Одним из основных устройств современного персонального компьютера является центральный процессор. Который, на первый взгляд, просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако этот кристалл содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

История создания микропроцессора началась еще в 50-х годах, когда на смену электронным лампам пришли компактные «электронные переключатели» - транзисторы, затем – интегральные схемы, в которых впервые удалось объединить на одном кристалле кремния сотни крохотных транзисторов. Но все-таки отсчет летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента появления первого микропроцессора.

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, процессоры сильно изменились. Современный процессор - это не просто набор транзисторов, а целая система множества важных устройств.

1 История развития процессоров
В настоящее время существуют много фирм по производству процессоров для персональных компьютеров. Это Intel, AMD, Cyrix, VIA, Centaur/IDT, NexGen, и многие другие. Однако наиболее популярными являются Intel и AMD. Развитие процессоров этих ведущих фирм мы и постараемся рассмотреть.

Однако прежде чем углубляться в историю производства процессоров необходимо дать характеристику некоторым техническим терминам характеризующих процессор.

Тактовая частота – это скорость работы процессора, а именно количество операций выполненных на протяжении 1 секунды.
Поколения – поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. Если просмотреть поколения процессоров фирмы Intel то их было 8 (8088, 286, 386, 486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, PentiumIV).
Модификация –у ведущих и постоянно конкурирующих фирм Intel и AMD есть две модификации процессоров. У Intel это Pentium и Celeron, у AMD это Athlon и Duron. Pentium и Athlon это дорогие процессоры для графических станций или серверов, а Celeron и Duron это процессоры для домашних компьютеров.
Технология производства – под технологией производства в данном случае понимают размер минимальных элементов процессора. Так в 1999 году фирмы перешли на новую, 0,13 – микронную технологию.
КЭШ-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.
КЭШ-память второго уровня – эта память более медленная, но она больше от 128 до 512 кбайт.
Центральный процессор (ЦП; также центра́льное процессорное устройство — ЦПУ; англ. centralprocessingunit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство, часто просто процессор) — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.
Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров.
Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.
История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.
Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляло процессор. Отличительными особенностями были низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержавшие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач) либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.
Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долларов.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешёвый 8088, упрощенная версия 8086 с 8-разрядной шиной данных.

Затем последовала его модификация, 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.
Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

2 Алгоритм работы процессора

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 - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2000 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.

Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство (АЛУ), работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией АЛУ может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. АЛУ также устанавливает биты Регистра Состояний (Statusregister - SR) при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Модуль Управления использует информацию в SR для выполнения условных операций, таких как 'перейти по адресу 7410 если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение'.

1.Режимы работы процессоров
История 32-разрядных процессоров Intel началась с процессора Intel386. Он вобрал в себя все черты своих 16-разрядных предшественников 8086/8088 и 80286 для обеспечения совместимости с громадным объемом ПО, существовавшего на момент его появления. В процессорах 80386 преодолено жесткое ограничение на длину непрерывного сегмента памяти - 64 Кбайт. Эти процессоры имеют поддержку виртуальной памяти объемом до 64 Тбайт, встроенный блок управления памятью, а также поддерживают механизмы сегментации и страничной переадресации (Paging). Процессоры обеспечивают систему защиты пространств памяти и ввода/вывода, а также переключение задач. Система команд расширена при сохранении всех команд 8086, 80286.
32-разрядный процессор может работать в одном из следующих режимов и переключаться между ними достаточно быстро как в ту, так и в другую сторону.