С момента изобретения первых электронно-вычислительных машин в первой половине 20 века произошла только одна истинная революция. Случилось это в 50-60-х годах, когда на смену громоздким вакуумным лампам пришли полупроводниковые технологии. Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов (техпроцесс), и увеличивается их количество на кристалле.

В условиях использования единой технологии (и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко) единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи - стало изобретение различных архитектур ЦП.

Что такое архитектура процессора

Архитектура процессора - это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом. Если еще более упрощенно, то архитектура - это схема, по которой устроен процессор.

За все время было создано много различных архитектур. Самые популярные из них - CISC, MISC, VLIW и RISC. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Сейчас активно используются конвейерные архитектуры CISC и RISC.

Как работает архитектура процессора

В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором - производится чтение данных из памяти, на третьем - осуществляется вычислительная операция, а на четвертой - выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается - он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса - конвейер двигается дальше. Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый - опять прикручивает ступицы на следующей машине.

Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер - тем больше операций выполняется за такт (1 герц частоты процессора). В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера - это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин. Чем больше мегагерц - тем быстрее движется лента, тем быстрее работают сборщики. Однако если первый работник что-то сделает не так - получится брак, машину придется собирать заново.

В процессоре все аналогично: если на раннем этапе конвейера происходит ошибка - конвейер нужно перезапускать. Это замедляет производительность и приводит к пустым тратам энергии. Так как для компактных и мобильных устройств энергоэффективность очень важна - специально для них была создана архитектура RISC. От CISC она отличается упрощенным набором команд, которые принимает процессор, и укороченным конвейером. Такая особенность приводит к снижению производительности на фоне CISC (а компьютерные x86-процессоры Intel и AMD построены на ней), но позволяет минимизировать пустую трату энергии.

Архитектура процессоров ARM

Всевозможные MIPS, PowerPC, SPARC и прочие архитектуры типа RISC оставим IT-специалистам. Когда дело касается смартфонов - стоит детальнее уделить внимание ARM, Это - разновидность RISC архитектуры с коротким конвейером, которая является одной из самых распространенных и удачных. Именно ARM использует большинство производителей (Qualcomm, MediaTek, Apple, Samsung, Huawei-HiSilicon и другие). Только Intel в своих SoC атом используют x86-совместимые CISC ядра.

Особенностью ARM процессоров является использование короткого конвейера. Его длина составляет 3 и более этапов, что немного на фоне десятков стадий у CISC. За счет этого сбои в работе конвейера минимально сказываются на скорости обработки программ, максимально эффективно нагружая каждый такт. Поэтому именно ARM стала самой популярной архитектурой процессоров для смартфонов и планшетов.

Архитектура и микроархитектура процессора

Довольно часто в СМИ и интернете происходит путаница между понятиями архитектуры и микроархитектуры процессора. Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура - это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура - всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой.

Виды микроархитектур ARM для смартфонов

Большинство чипсетов для смартфонов содержат процессоры, созданные на ARM, а именно - микроархитектурах семейства Cortex и других. Список актуальных версий и их отличия приведены ниже.

Возможно вам будет интересно:

mobcompany.info

Архитектура процессора (общие вопросы и строение)

В первую очередь-что нам говорит Википедия о Пентиум 3? Intel Pentium III (в русской разговорной речи - Интел Пентиум три) - x86-совместимый микропроцессор архитектуры Intel P6, анонсированный 26 февраля 1999 года. Ядро Pentium III представляет собой модифицированное ядро Deschutes (которое использовалось в процессорах Pentium II). По сравнению с предшественником расширен набор команд (добавлен набор инструкций SSE) и оптимизирована работа с памятью. Это позволило повысить производительность как в новых приложениях, использующих расширения SSE, так и в существующих (за счёт возросшей скорости работы с памятью). Также был введён 64-битный серийный номер, уникальный для каждого процессора.

Вопрос: Архитектура процессора - что это? Ответ: Термин «архитектура процессора» в настоящее время не имеет однозначного толкования. С точки зрения программистов, под архитектурой процессора подразумевается его способность исполнять определенный набор машинных кодов. Большинство современных десктопных CPU относятся к семейству x86, или Intel-совместимых процессоров архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). Ее основа была заложена компанией Intel в процессоре i80386, однако в последующих поколениях процессоров она была дополнена и расширена как самой Intel (введены новые наборы команд MMX, SSE, SSE2 и SSE3), так и сторонними производителями (наборы команд EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow!, разработанные компанией AMD). Однако разработчики компьютерного железа вкладывают в понятие «архитектура процессора» (иногда, чтобы окончательно не запутаться, используется термин «микроархитектура») несколько иной смысл. С их точки зрения, архитектура процессора отражает основные принципы внутренней организации конкретных семейств процессоров. Например, архитектура процессоров Intel Pentium обозначалась как Р5, процессоров Pentium II и Pentium III - Р6, а популярные в недавнем прошлом Pentium 4 относились к архитектуре NetBurst. После того, как компания Intel закрыла архитектуру Р5 для сторонних производителей, ее основной конкурент - компания AMD была вынуждена разработать собственную архитектуру - К7 для процессоров Athlon и Athlon XP, и К8 для Athlon 64.

Вопрос: Какие процессоры лучше, 64-битные или 32-битные? И почему? Ответ: Достаточно удачное 64-битное расширение классической 32-битной архитектуры IA32 было предложено в 2002 году компанией AMD (первоначально называлось x86-64, сейчас - AMD64) в процессорах семейства К8. Спустя некоторое время компанией Intel было предложено собственное обозначение - EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Но, независимо от названия, суть новой архитектуры одна и та же: разрядность основных внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Кроме того, за счет расширения разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти существенно увеличился.

И… все. Так что те, кто ожидает от 64-битных CPU сколь-нибудь существенного прироста производительности, будут разочарованы - их производительность в подавляющем большинстве современных приложений (которые в массе своей заточены под IA32 и вряд ли в обозримом будущем будут перекомпилированы под AMD64/EM64T) практически та же, что и у старых добрых 32-битных процессоров. Весь потенциал 64-битной архитектуры может раскрыться лишь в отдаленном будущем, когда в массовых количествах появятся (а может, и не появятся) приложения, оптимизированные под новую архитектуру. В любом случае, наиболее эффективен переход на 64-бита будет для программ, работающих с базами данных, программ класса CAD/CAE, а также программ для работы с цифровым контентом.

Вопрос: Что такое процессорное ядро? Ответ: В рамках одной и той же архитектуры различные процессоры могут достаточно сильно отличаться друг от друга. И различия эти воплощаются в разнообразных процессорных ядрах, обладающих определенным набором строго обусловленных характеристик. Чаще всего эти отличия воплощаются в различных частотах системной шины (FSB), размерах кэша второго уровня, поддержке тех или иных новых систем команд или технологических процессах, по которым изготавливаются процессоры. Нередко смена ядра в одном и том же семействе процессоров влечет за собой замену процессорного разъема, из чего вытекают вопросы дальнейшей совместимости материнских плат. Однако в процессе совершенствования ядра, производителям приходится вносить в него незначительные изменения, которые не могут претендовать на «имя собственное». Такие изменения называются ревизиями ядра и, чаще всего, обозначаются цифробуквенными комбинациями. Однако в новых ревизиях одного и того же ядра могут встречаться достаточно заметные нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии.

Вопрос: В чем заключается преимущество двухъядерных процессоров перед одноядерными? Ответ: Самым значимым событием 2005 года стало появление двухъядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные CPU практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты. Камнем преткновения стало не только слишком высокое тепловыделение процессоров, работающих на высоких частотах, но и проблемы с их стабильностью. Так что экстенсивный путь развития процессоров на ближайшие годы был заказан, и их производителям волей-неволей пришлось осваивать новый, интенсивный путь повышения производительности продукции. Самой расторопной на рынке десктопных CPU, как всегда, оказалась Intel, первой анонсировавшая двухъядерные процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Впрочем, AMD с Athlon64 X2 отстала от конкурента буквально на считанные дни. Несомненным достоинством двухъядерников первого поколения, к которым относятся вышеназванные процессоры, является их полная совместимость с существующими системными платами (естественно, достаточно современными, на которых придется только обновить BIOS). Второе поколение двухъядерных процессоров, в частности, Intel Core 2 Duo, «требует» специально разработанных для них чипсетов и со старыми материнскими платами не работает.

Не следует забывать, что, на сегодняшний день для работы с двухъядерными процессорами более или менее оптимизировано в основном только профессиональное ПО (включая работу c графикой, аудио- и видео данными), тогда как для офисного или домашнего пользователя второе процессорное ядро иногда приносит пользу, но гораздо чаще является мертвым грузом. Польза от двухъядерных процессоров в этом случае видна невооруженным взглядом только тогда, когда на компьютере запущены какие-либо фоновые задачи (проверка на вирусы, программный файервол и т.п.). Что касается прироста производительности в существующих играх, то он минимальный, хотя уже появились первые игры популярных жанров, полноценно использующие преимущества от использования второго ядра.

Впрочем, если сегодня стоит вопрос выбора процессора для игрового ПК среднего или верхнего ценового диапазона, то, в любом случае, лучше предпочесть двухъядерный, а то и 4-ядерный процессор чуть более высокочастотному одноядерному аналогу, так как рынок неуклонно движется в сторону мультиядерных систем и оптимизированных параллельных вычислений. Такая тенденция будет господствующей в ближайшие годы, так что доля ПО, оптимизированного под несколько ядер, будет неуклонно возрастать, и очень скоро может наступить момент, когда мультиядерность станет насущной необходимостью.

Вопрос: Что такое кэш? Ответ: Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.

При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему кэш первого уровня (обозначаемый как L1), с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2, который, как правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд и кэш данных. Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров, также порой обзаводятся кэшем третьего уровня L3. Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.

Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не эксклюзивный кэш. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не эксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.

Вопрос: Что такое процессорная шина? Ответ: Процессорная (иначе - системная) шина, которую чаще всего называют FSB (Front Side Bus), представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Таким образом, FSB выступает в качестве магистрального канала между процессором (или процессорами) и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Непосредственно к системной шине подключен только CPU, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в северном мосте набора системной логики (чипсета) материнской платы. Хотя могут быть и исключения - так, в процессорах AMD семейства К8 контроллер памяти интегрирован непосредственно в процессор, обеспечивая, тем самым, гораздо более эффективный интерфейс память-CPU, чем решения от Intel, сохраняющие верность классическим канонам организации внешнего интерфейса процессора. Основные параметры FSB некоторых процессоров приведены в табл

Процессор	частота FSB, МГц	Тип FSB	Теоретическая пропускная способность FSB, Мб/с
Intel Pentium III	100/133	AGTL+	800/1066
Intel Pentium 4	100/133/200	QPB	3200/4266/6400
Intel Pentium D	133/200	QPB	4266/6400
Intel Pentium 4 EE	200/266	QPB	6400/8533
Intel Core	133/166	QPB	4266/5333
Intel Core 2	200/266	QPB	6400/8533
AMD Athlon	100/133	EV6	1600/2133
AMD Athlon XP	133/166/200	EV6	2133/2666/3200
AMD Sempron	800	HyperTransport
AMD Athlon 64	800/1000	HyperTransport	6400/8000

Процессоры компании Intel используют системную шину QPB (Quad Pumped Bus), передающую данные четыре раза за такт, тогда как системная шина EV6 процессоров AMD Athlon и Athlon XP передает данные два раза за такт (Double Data Rate). В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в процессорах линеек Athlon 64/FX/Opteron, применен новый подход к организации интерфейса CPU - здесь вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются: высокоскоростная последовательная (пакетная) шина HyperTransport, построенная по схеме Peer-to-Peer (точка-точка), обеспечивающая высокую скорость обмена данными при сравнительно низкой латентности.

И наконец-то конкретика!

Процессы первого поколения этого семейства (Intel Pentium III 450 и Intel Pentium III 500) были анонсированы Intel в конце февраля 1999 года и имели следующие характеристики:

• технология производства: 0,25 мкм;
• ядро процессора: Katmai, разработанное на основе Deschutes (поздняя версия ядра процессоров Intel Pentium II) с добавленным SSE-конвейером для обработки 70 новых SSE-инструкций;
• L1-кэш: объем - 32 Кбайт (16 Кбайт для данных плюс 16 Кбайт для инструкций);
• L2-кэш: объем - 512 Кбайт, тактовая частота - половина тактовой частоты ядра, внешний (не интегрирован на одном кристалле с процессором, а выполнен на отдельных микросхемах, которые расположены на той же печатной плате, что и микросхема процессора), поддерживает ECC-механизм обнаружения и коррекции ошибок при обмене данными с ядром процессора; в терминологии Intel такой L2-кэш называют Discrete Cache;
• частота системной шины: 100 МГц, поддерживается ECC;
• напряжение питания ядра процессора: 2,0 В;
• многопроцессорность: поддерживается до двух процессоров на одной системной шине;
• идентификация: каждый процессор имеет уникальный 96-битный серийный номер, «прошитый» в нем во время изготовления, который может быть считан программными средствами;
• в случае нежелания пользователя «разглашать» серийный номер своего процессора возможность считывания его серийного номера может быть заблокирована на уровне BIOS с помощью программы настройки BIOS материнской платы или же утилиты Processor Serial Number Control Utility физический разъем: Slot 1;
• исполнение: S.E.C.C.- или S.E.C.C.2-картридж.

online-studies.ru

Архитектура современных процессоров

Введение

4. Виртуализация

6. Будущие технологии

Библиографический список

Введение

Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.

Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).

Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.

В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора, составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.

Рисунок 1 – принципиальная схема процессора

Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.

Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.

Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.

Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.

Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.

Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.

Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.

Блок шины - служит для ввода и вывода информации.

Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst.

В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.

Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.

Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).

С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).

В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.

Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь - для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE - значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет - будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем таблицу, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.

Таблица 1

Сравнение основных наборов команд

* в зависимости от модификации

В 1970г. доктор Маршиан Эдвард Хофф с командой инженеров из Intelсконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае, так принято считать – хотя на самом деле еще в 1968 году инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLFдля бортового компьютера истребителя F-14. Первый процессор работал на частоте 750 кГц. Сегодняшние процессоры от Intelбыстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз

Тактовая частота – это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Еще недавно этот показатель был для пользователей не то, что самым важным – единственным значимым! Многие пользователи пытались «разогнать» свой процессор при помощи специальных программ. Впрочем, частота процессоров и безо всякого разгона возрастала в геометрической прогрессии – в полном соответствии с так называемым «законом Мура» (в свое время Гордон Мур предсказал, что каждые полтора года частота микропроцессоров будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле). Этот принцип успешно работал вплоть до 2004 г. – пока на пути инженеров Intelне встали законы физики. Ведь размеры транзисторов «ужимать» до бесконечности нельзя. Уже сегодня процессоры производятся по 65-наномикронной технологии (технология 65 нанометров), а толщина «подложки» транзисторов не превышает 1 нм (всего 5 атомов). В ближайшие годы размеры транзисторов могут сократиться до 22 нм, что близко к физическому пределу. Одновременно с уменьшением размеров транзисторов резко возрастает количество тепла, которое выделяет работающий процессор – например у последних моделей Pentiumтепловыделение составляет около 120 ватт (что соответствует двум бытовым электролампам)!

1. 8086: первый процессор для ПК

8086 стал первым процессором x86 - Intel к тому времени уже выпустила модели 4004, 8008, 8080 и 8085. Этот 16-битный процессор мог работать с 1 Мбайт памяти по внешней 20-битной адресной шине. Тактовая частота, выбранная IBM (4,77 МГц) была довольно низкой, и к концу своей карьеры процессор работал на 10 МГц. Первые ПК использовали производную процессора 8088, которая имела всего 8-битную внешнюю шину данных. Что интересно, системы управления в американских шаттлах используют процессоры 8086, и NASA пришлось в 2002 году покупать процессоры через eBay, поскольку Intel их больше не производила.

Таблица 2

Характеристики 8086

80286: 16 Мбайт памяти, но всё ещё 16 битов

Выпущенный в 1982 году, процессор 80286 был в 3,6 раза быстрее 8086 на той же тактовой частоте. Он мог работать с памятью объёмом до 16 Мбайт, но 286 всё ещё оставался 16-битным процессором. Он стал первым процессором x86, оснащённым диспетчером памяти (memory management unit, MMU), который позволял работать с виртуальной памятью. Подобно 8086, процессор не содержал блока работы с плавающей запятой (floating-point unit, FPU), но мог использовать чип-сопроцессор x87 (80287). Intel выпускала 80286 на максимальной тактовой частоте 12,5 МГц, хотя конкурентам удалось добиться 25 МГц.

Таблица 3

Характеристики 8026

386: 32-битный и с кэш-памятью

Intel 80836 стал первым процессором x86 с 32-битной архитектурой. Вышло несколько версий этого процессора. Две наиболее известные: 386 SX (Single-word eXternal), который использовал 16-битную шину данных, и 386 DX (Double-word eXternal) с 32-битной шиной данных. Можно отметить ещё две версии: SL, первый процессор x86 с поддержкой кэша (внешнего) и 386EX, который использовался в космической программе (например, телескоп "Хаббл" использует этот процессор).

Таблица 4

Характеристики 386

486: FPU и множители

Процессор 486 для многих стал знаковым, поскольку с него началось знакомство с компьютером целого поколения. На самом деле, знаменитый 486 DX2/66 долгое время считался минимальной конфигурацией для геймеров. Этот процессор, выпущенный в 1989 году, обладал рядом новых интересных функций, подобно встроенному на кристалл сопроцессору FPU, кэшу данных и впервые представил множитель. Сопроцессор x87 был встроен в линейку 486 DX (не SX). В процессор был интегрирован кэш первого уровня объёмом 8 кбайт (сначала со сквозной записью/write-through, затем с обратной записью/write-back с чуть более высокой производительностью). Существовала возможность добавления кэша L2 на материнскую плату (работал на частоте шины).

Второе поколение 486 процессоров обзавелось множителем CPU, поскольку процессор работал быстрее, чем FSB, появились версии DX2 (множитель 2x) и DX4 (множитель 3x). Ещё один анекдот: "487SX", продаваемый как FPU для 486SX, представлял собой, по сути, полноценный процессор 486DX, который отключал и заменял оригинальный CPU.

Таблица 5

Характеристики 486

У DX4 было 16 кбайт кэша и больше транзисторов - 1,6 млн. Этот процессор, изготавливаемый по 600-нм техпроцессу с площадью кристалла 76 мм², потреблял меньше энергии, чем оригинальный 486 (при напряжении 3,3 В).

Рассмотрим их на примере процессора IntelPentium1.

В июне 1989 года Винодом Дэмом (англ. Vinod Dahm) были сделаны первые наброски процессора под кодовым названием P5. В конце 1991 года была завершена разработка макета процессора, и инженеры смогли запустить на нём программное обеспечение. Начался этап оптимизации топологии и повышения эффективности работы. В феврале 1992 года проектирование в основном было завершено, началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров. В апреле 1992 года принято решение о начале промышленного производства, в качестве основной промышленной базы была выбрана орегонская фабрика № 5. Началось промышленное освоение производства и окончательная доводка технических характеристик.

Основные отличия от процессора 486:

а) Суперскалярная архитектура. Благодаря использованию суперскалярной архитектуры процессор может выполнять 2 команды за 1 такт. Такая возможность существует благодаря наличию двух конвейеров - u- и v-. u-конвейер - основной, выполняет все операции над целыми и вещественными числами; v-конвейер - вспомогательный, выполняет только простые операции над целыми и частично над вещественными. Чтобы старые программы (для 486) в полной мере использовали возможности такой архитектуры, необходимо было их перекомпилировать. Pentium - первый CISC-процессор, использующий многоконвейерную архитектуру.

б) 64-битная шина данных. Позволяет процессору Pentium за один шинный цикл обмениваться вдвое большим объёмом данных с оперативной памятью, чем 486 (при одинаковой тактовой частоте).

в) Механизм предсказания адресов ветвления. Применяется для сокращения времени простоя конвейеров, вызванного задержками выборки команд при изменении счетчика адреса во время выполнения команд ветвления. Для этого в процессоре используется буфер адреса ветвления BTB (Branch Target Buffer), использующий алгоритмы предсказания адресов ветвления.

г) Раздельное кэширование программного кода и данных. В процессорах Pentium используется кэш-память первого уровня (кэш L1) объёмом 16 Кб, разделённая на 2 сегмента: 8 Кб для данных и 8 Кб для инструкций. Это улучшает производительность и позволяет делать двойное кэширование доступным чаще, чем это было возможно раньше. Кроме того, изменён механизм кэширования.

д) Улучшенный блок вычислений с плавающей запятой (FPU).

е) Симметричная многопроцессорная работа (SMP).

3. Переход к двуядерным процессорам

Рисунок 2 – микрофотография одного из первых двуядерных процессоров

компьютер процессор одноядерный двуядерный

Первой двуядерные чипы для настольных ПК представила корпорация Intel - 11 апреля было официально объявлено о начале поставок процессора Pentium 4 Extreme Edition 840. AMD не заставила себя долго ждать и уже 21 апреля ознакомила публику с тремя серверными двуядерными процессорами Opteron, а также представила новую торговую марку - Athlon 64 X2, под которой уже 9 мая были официально презентованы двуядерные процессоры для настольных ПК.

Переход на двуядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы по увеличению производительности практически исчерпали себя. Из-за ряда технологических проблем темпы наращивания тактовых частот в последнее время заметно замедлились. К примеру, в последний год перед появлением двуядерных процессоров компания Intel смогла нарастить частоты своих CPU лишь на 400 МГц, а конкуренты от AMD ускорились всего на 200 МГц. Как видим, рост тактовых частот дается нелегко. А другие методы, такие как увеличение скорости шины и размера кэш-памяти, ощутимого прироста производительности не дают.

Поэтому понятно, почему именно внедрение двуядерных процессоров оказалось наиболее логичным шагом на пути к новым вершинам быстродействия и ознаменовало начало новой эры в развитии процессорного рынка.

Что же представляет собой двуядерный процессор? На первый взгляд это просто два процессора, объединенных в общем корпусе. Но не все так просто. Во-первых, нужно различать термины «процессор» и «процессорное ядро». Во-вторых, существует проблема общих ресурсов, доступ к которым нужно распределять между двумя ядрами. Если же посмотреть с точки зрения программного обеспечения, то двуядерный процессор система рассматривает как два независимых. Понятно, что двуядерный процессор способен одновременно выполнять два потока инструкций, в то время как обычный CPU производит вычисления строго по очереди. До этого уже была произведена попытка разделить выполняемые инструкции - речь идет о технологии Intel Hyper-Threading. Вот только в ней два «виртуальных» процессора почти во всем разделяют между собой ресурсы одного «физического» процессора (кэши, конвейер, исполнительные устройства). Практически все ресурсы общие - и если они уже заняты одним из выполняющихся потоков, то второй будет вынужден ожидать их освобождения.

По сути, принцип работы процессора с Hyper-Threading похож на принцип работы многозадачной операционной системы, только происходит это не на программном, а на аппаратном уровне. Разделение потока на две части, как правило, позволяет эффективнее загрузить исполнительные устройства процессора. И при этом немного облегчить операционной системе задачу имитации множества независимых компьютеров на одном существующем процессоре.

Полноценный двуядерный процессор - совсем другое дело. В этом случае система определяет действительно два «честных» процессорных ядра. И прирост производительности при этом составляет уже не 10-20% (средний показатель для процессора с технологией Hyper-Threading), а все 80-90% и даже больше (естественно, при использовании обоих ядер). В принципе, двуядерный процессор представляет собой SMP-систему (SMP - Symmetric MultiProcessing, симметричная многопроцессорная обработка; термин, обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами). По сути своей он не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, в которой установлено два независимых процессора. В результате мы получаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимости использования сложных и дорогих двухпроцессорных материнских плат.

Один из способов создать энергоэффективный процессор - это переход от одноядерной процессорной архитектуры к многоядерной. Дело в том, что многоядерные процессоры позволяют повышать производительность именно за счет увеличения IPC, то есть количества инструкций программного кода, обрабатываемых за каждый такт работы процессора. В идеале при переходе от одноядерной архитектуры процессора к двуядерной можно сохранить тот же уровень производительности, снизив тактовую частоту каждого из ядер почти вдвое. В реальности, конечно, все несколько сложнее - результат будет зависеть от используемого приложения и его оптимизации к двуядерному процессору. То есть, чтобы приложение могло одновременно задействовать несколько процессорных ядер, оно должно хорошо распараллеливаться. Если же программный код написан таким образом, что подразумевает только последовательное выполнение инструкций, от многоядерности проку не будет. Для того чтобы продемонстрировать, как именно масштабируется производительность многоядерного процессора в зависимости от оптимизации программного кода к многоядерной архитектуре, рассмотрим следующий пример. Имеется многоядерный процессор с количеством ядер равным n. Предположим, что на этом процессоре выполняется программа, включающая N инструкций программного кода, причем S инструкций этого кода может выполняться только последовательно друг за другом, а P (равное N – S) инструкций являются программно независимыми друг от друга и могут выполняться одновременно на всех ядрах процессора. Обозначим через s (равное S / N) - долю инструкций, выполняемых последовательно, а через p (равное 1 – s) - долю инструкций, выполняемых параллельно.

Рисунок 3 - Выполнение программного кода на одноядерном процессоре

В случае применения одноядерного процессора (рисунок 4) время, затрачиваемое на выполнение всего программного кода, составит:

t1 = N / IPS(3.1)

В случае использования n-ядерного процессора (рисунок 1) время, затрачиваемое на выполнение всего программного кода, окажется меньше за счет параллельного выполнения P команд на n ядрах процессора и составит:

Поскольку приростом производительности в данном случае можно считать сокращение времени выполнения программы при использовании многоядерного процессора по сравнению со временем выполнения той же программы при применении одноядерного процессора, то есть t1 / tn, получим, что прирост производительности составит:

Графическая зависимость прироста производительности от числа ядер процессора показана на рисунке 5.

Рисунок 4 - Выполнение программного кода на многоядерном процессоре

Как видно из приведенной формулы, прирост производительности в случае многоядерной архитектуры процессора в большой степени зависит от оптимизации приложения к многоядерной архитектуре, то есть от его способности распараллеливаться. К примеру, даже в случае, когда 90% программного кода распараллеливается на несколько исполнительных ядер, использование четырехъядерного процессора позволяет получить только трехкратный прирост производительности в сравнении с одноядерной архитектурой процессора.

Рисунок 5 - Зависимость прироста производительности от числа ядер процессора

Рассмотренный пример представляет собой идеальную ситуацию, но в реальности все несколько сложнее, тем не менее, основная идея остается неизменной: использование многоядерных процессоров требует внесения кардинальных изменений в программное обеспечение. До сих пор, обсуждая прирост производительности, который можно получить при переходе от одноядерной к многоядерной архитектуре, мы рассматривали только одно приложение. Тем не менее, многоядерные процессоры позволяют ощутить существенный прирост производительности при одновременной работе нескольких приложений. В идеальном случае каждое приложение может исполняться на отдельном ядре процессора независимо от других приложений. К примеру, можно параллельно конвертировать видеофайлы, играть в игры и т.п. Многоядерная архитектура процессоров позволяет одновременно решать две глобальные задачи: увеличивать производительность процессоров и одновременно создавать энергоэффективные процессоры. Конечно, многоядерная архитектура - это лишь один из рецептов создания высокопроизводительных энергоэффективных процессоров. Для создания действительно энергоэффективного многоядерного процессора необходимо, чтобы каждое его ядро было оптимизировано для многоядерной архитектуры и к тому же было энергоэффективным. К примеру, двухъядерные процессоры Intel, основанные на архитектуре NetBurst (семейство Intel Pentium D), позволяют лишь частично решить проблему повышения энергоэффективности. Дело в том, что микроархитектура каждого ядра процессора семейства Intel Pentium D оптимизирована под масштабирование тактовой частоты и не является энергоэффективной. Другим подходом к повышению производительности в рамках заданного энергопотребления является переход на принципиально иную микроархитектуру ядра. Отметим, что данный подход не противоречит идее многоядерности, а скорее дополняет ее.

4. Виртуализация

Виртуализация в вычислениях - процесс представления набора вычислительных ресурсов, или их логического объединения, который даёт какие-либо преимущества перед оригинальной конфигурацией. Это новый виртуальный взгляд на ресурсы, не ограниченных реализацией, географическим положением или физической конфигурацией составных частей. Обычно виртуализированные ресурсы включают в себя вычислительные мощности и хранилище данных. Примером виртуализации являются симметричные мультипроцессорные компьютерные архитектуры, которые используют более одного процессора. Операционные системы обычно конфигурируются таким образом, чтобы несколько процессоров представлялись как единый процессорный модуль. Вот почему программные приложения могут быть написаны для одного логического (виртуального) вычислительного модуля, что значительно проще, чем работать с большим количеством различных процессорных конфигураций.

Программная виртуализация:

Динамическая трансляция - При динамической трансляции (бинарной трансляции) проблемные команды гостевой OC перехватываются гипервизором. После того как эти команды заменяются на безопасные, происходит возврат управления гостевой ОС. Паравиртуализация - техника виртуализации, при которой гостевые операционные системы подготавливаются для исполнения в виртуализированной среде, для чего их ядро незначительно модифицируется. Операционная система взаимодействует с программой Гипервизора, который предоставляет ей гостевой API, вместо использования напрямую таких ресурсов, как таблица страниц памяти. Метод паравиртуализации позволяет добиться более высокой производительности, чем метод динамической трансляции. Метод паравиртуализации применим лишь в том случае, если гостевые ОС имеют открытые исходные коды, которые можно модифицировать согласно лицензии.

Аппаратная виртуализация:

а) Упрощение разработки программных платформ виртуализации за счет предоставления аппаратных интерфейсов управления и поддержки виртуальных гостевых систем. Это уменьшает трудоемкость и время на разработку систем виртуализации.

б) Возможность увеличения быстродействия платформ виртуализации. Управление виртуальными гостевыми системами осуществляет напрямую небольшой промежуточный слой программного обеспечения, гипервизор, что дает увеличение быстродействия.

в) Улучшается защищённость, появляется возможность переключения между несколькими запущенными независимыми платформами виртуализации на аппаратном уровне. Каждая из виртуальных машин может работать независимо, в своем пространстве аппаратных ресурсов, полностью изолированно друг от друга. Это позволяет устранить потери быстродействия на поддержание хостовой платформы и увеличить защищенность.

г) Гостевая система становится не привязана к архитектуре хостовой платформы и к реализации платформы виртуализации. Технология аппаратной виртуализации делает возможным запуск 64-битных гостевых систем на 32-битных хостовых системах (с 32-битными средами виртуализации на хостах).

Реализации:

IBMSystem370, VM/370 - 60-е года. На виртуальных системах IBM VM были отработаны идеи и технологии, во многом определившие архитектуры современных решений по виртуализации; VMware; Xen; KVM.

Технологии:

V86 mode - старая; Intel VT (VT-x) - Intel Virtualization Technology for x86; AMD Pacific.

5. Кратко о некоторых других технологиях

а) Intel Turbo Boost – при необходимости позволяет работающим ядрам повышать тактовую частоту (с шагом 133 МГц) до максимально возможной по тепловой защите. Неиспользуемые ядра могут программно переводиться в режим нулевого энергопотребления.

б) Технология Intel Smart Cache обеспечивает высокую производительность и эффективность кэш-памяти, оптимизирована для самых современных многопоточных игр.

в) Технология Intel QuickPath Interconnect разработана для повышения пропускной способности и снижения задержек в процессе обмена. С процессорами Extreme Edition она позволяет достигнуть суммарных скоростей передачи данных до 25,6 ГБ/с.

г) Технология Intel HD Boost значительно повышает производительность в мультимедийных задачах. Команды из наборов дополнительных инструкций выполняются за один тактовый цикл, позволяя достичь нового уровня эффективности с приложениями, оптимизированными для набора команд SSE4.

6. Будущие технологии

Оптические компьютеры - Процессоры, в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны).

Квантовые компьютеры - Процессоры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Библиографический список

Леонтьев, П.В. Новейший самоучитель работы на компьютере / П.В. Леонтьев М.: ОЛМА Медиа Групп, 2008. 528 с.

http://www.ixbt.com/cpu/x86-cpu-faq-2006.shtml

http://www.thg.ru/cpu/intel_cpu_history/index.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/Pentium

http://rpnyamal.ru/?page_id=3

http://www.compress.ru/article.aspx?id=16962&iid=786

mirznanii.com

Архитектура микропроцессоров. Основные виды архитектур

Архитектура микропроцессоров.

Эта глава посвящена архитектурным особенностям микропроцессоров. В ней приведены общие сведения о микропроцессорах, рассматриваются принципы структурно – функциональной организации) типы данных, регистровая память, спо­собы адресации и система команд микропроцессоров. Излагаемый материал ил­люстрируется на простейших 8– и 16–разрядных процессорах.

Основные понятия. Микропроцессор - это программно–управляемое устройство в виде интегральной микросхемы (БИС или СБИС), предназначенное для обработки цифровой информации. Поскольку все современные микро­процессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.

Микроконтроллер - это специализированный процессор, предназначен­ный для реализации функций управления (control - управление).

Цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor - DSP) - это специа­лизированный процессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов.

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор. Это понятие объединяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и кон­чая компьютерными системами, представляющими собой набор отдельных конст­руктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и др.). В дальнейшем рассматриваются простейшие (однокристальные) микропроцес­сорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие микропроцессорные системы можно отнести к классу микро­процессоров.

Под организацией процессора понимают совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характе­ристики. Организация определяет аппаратную организацию процессора, т. е. состав и взаимодействие его аппаратных средств. Выделяют два уровня организации:

● физическую организацию в виде принципиальной схемы;

● логическую организацию в виде структурно–функциональной схемы.

В дальнейшем рассматривается организация микропроцессоров на логиче­ском уровне, или структурно–функциональная организация процессоров.

Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно–аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой инфор­мации (выполнение программы), т. е. совокупность всех средств, доступных про­грамме (или пользователю). Это более общее понятие по сравнению с понятием организация включает в себя набор программно–доступных регистров и операци­онных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и орга­низацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, преры­вания, примой доступ к памяти и др.). Например, современные 32–разрядные процессоры х86 с архитектурой IA–32 (Intel Architecture - 32 bit) имеют стандарт­ный набор регистров, общую систему основных команд, одинаковые способы организации и адресации памяти, защиты памяти и обслуживания прерываний. Отметим, что понятие архитектуры в большей степени характеризует свойства системы, чем устройства.

Основные виды архитектур.

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить:

● CISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer - CISC). Она реализова­на во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать не­сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож­ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволя­ет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC–архитектур микропроцессоров по пути рас­ширения функциональных возможностей и снижения затрат на программиро­вание привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и сни­жение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей уст­ранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набо­ра команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выпол­нения;

● RISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокра­щенным набором команд (Reduced instruction Set Computer - RISC). Появле­ние RISC–архитектуры продиктовано тем, что многие CISC–команды и спо­собы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь­шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес­сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про­граммном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости испол­нения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказать­ся выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.

Большинство команд RISC–процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зре­ния временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.

Современные RISC–процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи­более простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).

Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC–процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC–процессорах всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC–процессорах используется только в операциях за­грузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет со­кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне­ния сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схем RISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC–процессорах (последние модели Pentium и К7) ис­пользуется RISC–ядро. При этом сложные CISC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро вы­полняются RISC–ядром;

● VLIW–архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (Very Large Instruction Word - VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW–команда может выполнить сразу несколько операций одновремен­но в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW–ko­манд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW–архитектура реализована в неко­торых типах современных микропроцессоров и является весьма перспектив­ной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процес­соров.

По способу организации выборки команд и данных различа­ют два вида архитектур:

● принстонская архитектура, или архитектура фон–Неймана, особенностью которой является (рис. 2.1.1) использование:

Общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в за­висимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

Общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в опе­ративную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а дан­ные - в блок регистров (рис. 2.1.1). Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплек­сирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разде­лены во времени.

Недостаток принстонской архитектуры - использование общей шины для пе­редачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;

● гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных (рис. 2.1.2). Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требова­ниями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их вы­борки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая про­изводительность, чем при использовании принстонской архитектуры.

Недостатки гарвардской архитектуры: усложнение конструкции из–за ис­пользования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем па­мяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из–за невоз­можности ее оптимального перераспределения между командами и данными. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтрол­лерах - специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводи­тельных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор­ных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в струк­туру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

pue8.ru

Архитектура процессора

Технический университет Молдовы

РЕФЕРАТ ПО ПРОГРАММИРОВАНИЮ

ТЕМА: Память и архитектура процессора

Факультет CIM

Группа С - 092

Подготовил Плис Владимир.

Кишинёв 1999 г.

Введение.

1) Историческая ретроспектива.

2) Архитектурное развитие.

3) Процесс производства.

4) Программная совместимость.

5) Обзор процессоров.

Будущие разработки Intel.

Процессор, или более полно микропроцессор, а также часто называемый ЦПУ (CPU - central processing unit) является центральным компонентом компьютера. Это разум, который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера.

Когда фон Нейман впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. Опубликована она в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 году. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода-вывода.

Сегодня, более полувека спустя, почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру.

Историческая ретроспектива

Как известно, все процессоры персональных компьютеров основаны на оригинальном дизайне Intel. Первым применяемым в PC процессором был интеловский чип 8088. В это время Intel располагал выпущенным ранее более мощным процессором 8086. 8088 был выбран по соображениям экономии: его 8-битная шина данных допускала более дешевые системные платы, чем 16-битная у 8086. Также во время проектирования первых PC большинство доступных интерфейсных микросхем использовали 8-битный дизайн. Те первые процессоры даже не приближаются к мощи, достаточной для запуска современных приложений.

В таблице ниже приведены основные группы интеловских процессоров от первой генерации 8088/86 до шестого поколения Pentium Pro и Pentium II:

Третье поколение процессоров, основанных на Intel 80386SX и 80386DX, были первыми применяемыми в PC 32-битными процессорами. Основным отличием между ними было то, что 386SX был 32-разрядным только внутри, поскольку он общался с внешним миром по 16-разрядной шине. Это значит, что данные между процессором и остальным компьютером перемещались на вполовину меньшей скорости, чем у 486DX.

Четвертая генерация процессоров была также 32-разрядной. Однако все они предлагали ряд усовершенствований. Во-первых, был полностью пересмотрен весь дизайн 486 поколения, что само по себе удвоило скорость. Во-вторых, все они имели 8kb внутреннего кэша, прямо у процессорной логики. Такое кэширование передачи данных от основной памяти значило, что среднее ожидание процессора запросов к памяти на системной плате сократилось до 4%, поскольку, как правило, необходимая информация уже находилась в кэше.

Модель 486DX отличалась от 486SX только поставляемым внутри математическим сопроцессором. Этот отдельный процессор спроектирован для проведения операций над числами с плавающей точкой. Он мало применяется в каждодневных приложениях, но кардинально меняет производительность числовых таблиц, статистического анализа, систем проектирования и так далее.

Важной инновацией было удвоение частоты, введенное в 486DX2. Это значит что внутри процессор работает на удвоенной по отношению ко внешней электронике скоростью. Данные между процессором, внутренним кэшем и сопроцессором передаются на удвоенной скорости, приводя к сравнимой прибавке в производительности. 486DX4 развил эту технологию дальше, утраивая частоту до внутренних 75 или 100MHz, а также удвоив объем первичного кэша до 16kb.

Pentium, определив пятое поколение процессоров, значительно превзошел в производительности предшествующие 486 чипы благодаря нескольким архитектурным изменениям, включая удвоение ширины шины до 64 бит. P55C MMX сделал дальнейшие значительные усовершенствования, удвоив размер первичного кэша и расширив набор инструкций оптимизированными для мультимедиа приложений операциями.

Pentium Pro, появившись в 1995 году как наследник Pentium, был первым в шестом поколении процессоров и ввел несколько архитектурных особенностей, не встречавшихся ранее в мире PC. Pentium Pro стал первым массовым процессором, радикально изменившим способ выполнения инструкций переводом их в RISC-подобные микроинструкции и выполнением их в высокоразвитом внутреннем ядре. Он также замечателен значительно более производительным вторичным кэшем относительно всех прежних процессоров. Вместо использования базирующегося на системной плате кэша, работающего на скорости шины памяти, он использует интегрированный кэш второго уровня на своей собственной шине, работающей на полной частоте процессора, обычно в три раза быстрее кэша на Pentium-системах.

Следующий новый чип после Pentium Pro Intel представил спустя почти полтора года - появился Pentium II, давший очень большой эволюционный шаг от Pentium Pro. Это распалило спекуляции, что одна из основных целей Intel в производстве Pentium II был уход от трудностей в изготовлении дорогого интегрированного кэша второго уровня в Pentium Pro. Архитектурно Pentium II не очень отличается от Pentium Pro с подобным эмулирующим x86 ядром и большинством схожих особенностей.

Pentium II улучшил архитектуру Pentium Pro удвоением размера первичного кэша до 32kb, использованием специального кэша для увеличения эффективности 16-битной обработки, (Pentium Pro оптимизирован для 32-битных приложений, а с 16-битным кодом не обращается столь же хорошо) и увеличением размеров буферов записи. Однако о основной темой разговоров вокруг новых Pentium II была его компоновка. Интегрированный в Pentium Pro вторичный кэш, работающий на полной частоте процессора, был заменен в Pentium II на малую схему, содержащую процессор и 512kb вторичного кэша, работающего на половине частоты процессора. Собранные вместе, они заключены в специальный одностороний картридж (single-edge cartridge - SEC), предназначенный для вставления в 242-пиновый разъем (Socket 8) на нового стиля системных платах Pentium II.

Основная структура

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 - 200MHz, иначе говоря, часики тикают 200 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 (ALU), работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией ALU может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. ALU также устанавливает биты Регистра Состояний (Status register - 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".

Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным.

Архитектурное развитие

В соответствии с законом Мура (сформулированным в 1965 году Гордоном Муром (Gordon Moore), одним из создателей Intel), CPU удваивает свою мощность и возможности каждые 18-24 месяцев. В последние годы Intel настойчиво следовал этому закону, оставаясь лидером на рынке и выпуская более мощные чипы процессоров для PC, чем любая другая компания. В 1978 году 8086 работал на частоте 4.77MHz и содержал менее миллиона транзисторов, на конец 1995 года их Pentium Pro вмещал уже 21 миллион транзисторов и работал на 200MHz.

Законы физику ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты растут каждый год, только это не может дать того прироста производительности, что мы используем сегодня. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый тик. Одно развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные процессоры способны складывать 32-битные числа, правда выполнив массу инструкций, - 32-битные процессоры решают эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке уже 64-разрядные.

В давние времена процессор мог обращаться только с целыми числами. Единственной возможностью было написание программ, использующих простые инструкции для обработки дробных чисел, но это было медленно. Фактически все процессоры сегодня имеют инструкции для непосредственного обращения с дробными числами.

Говоря, что "нечто происходит с каждым тиком", мы недооцениваем как долго на самом деле происходит выполнение инструкции. Традиционно, это занимало пять тиков - один для загрузки инструкции, другой для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. В этом случае очевидно 100MHz процессор мог выполнить только 20 миллионов инструкций в секунду.

Большинство процессоров сегодня применяют поточную обработку (pipelining), которая больше похожа на фабричный конвейер. Одна стадия потока выделена под каждый шаг, необходимый для выполнения инструкции, и каждая стадия передает инструкцию следующей, когда она выполнила свою часть. Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется, и записывается результат для пятой. При текущей технологии одна инструкция за тик может быть достигнута.

Более того, многие процессоры сейчас имеют суперскалярную архитектуру. Это значит, что схема каждой стадии потока дублируется, так что много инструкций могут передаваться параллельно. Pentium Pro, примером, может выполнять до пяти инструкций за цикл тика.

Процесс производства

Что отличает микропроцессор от его предшественников, сконструированных из ламп, отдельных транзисторов, малых интегральных схем, такими какими они были первое время от полного процессора на едином кремниевом чипе.

Кремний или силикон - это основной материал из которого производятся чипы. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и так далее на поверхности кремния.

Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас распространены 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров.

Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов - это и называется присадкой.

Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляется слои и лишние части вытравливаются вновь. Чтобы сделать это, новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет те части фоторезистора, которые выставлены на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем.

Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть повсюду, размером от микрона до ста - а это в 3-300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы.

В прежние времена производство полупроводников приводило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход результата намного выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и отмечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отделяются и с этой точки зовутся матрицами. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA (Pin Grid Arrays) корпус - керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне, именно такой корпус большинство людей принимают за процессор.

4004 использовал 10-микронный процесс: наименьшие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегодняшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что Pentium Pro изготовлен по такой технологии он был бы размером 14x20 сантиметров, и был бы медленным - быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0.25-микронные технологию, и 0.1-микронный процесс - среднесрочная перспектива для многих производителей.

Программная совместимость

На заре компьютерного века многие люди писали свои программы, а точный набор исполняемых инструкций процессора не был существенен. Сегодня, однако, люди ждут возможность использовать готовые программы, так что набор инструкций первостепенен. Хотя ничего нет магического с технической точки зрения в архитектуре Intel 80x86, она уже давно стала индустриальным стандартом.

Когда сторонние производители делают процессор с другими инструкциями, он не будет работать с принятым стандартным программным обеспечением, и в результате не продается. В дни 386-х и 486-х компании, например AMD, клонировали интеловские процессоры, но это всегда было с отставанием на поколение. Cyrix 6x86 и AMD K5 были конкурентами интеловского Pentium, но это были не чистые копии. K5 имел собственный набор инструкций и транслировал инструкции 80x86 во внутренние при загрузке, так что K5 не требовал при проектировании предварительного создания Pentium. Многое в действительности создавалось параллельно, сдерживала только схема трансляции. Когда K5 наконец появился, он перепрыгнул Pentium в отношении производительности при одинаковых частотах.

Другой путь, по которому процессоры с разной архитектурой относительно единообразны к внешнему миру, - это стандартная шина. В этом отношении введенная в 1994 году шина PCI - один из наиболее важных стандартов. PCI определяет набор сигналов, разрешающих процессору общаться с другими частями PC. Он включает шины адреса и данных, плюс набор управляющих сигналов. Процессор имеет свои собственные шины, так что чипсет используется для преобразования из этой "частной" шины в "публичную" PCI.

Введение Pentium в 1993 году революционизировало рынок PC, вложив в корпус среднего PC больше мощи, чем имела NASA в кондиционируемых компьютерных помещениях начала 60-х. Архетектура Pentium представляет шаг вперед от 486.

Это был основанный на CISC чип с более 3.3 миллионами транзисторов, произведенный по 0.35-микронной технологии. Внутри процессор использовал 32-разрядную шину, но внешняя шина данных была 64-разрядна. Внешняя шина требовала других материнских плат, и для их поддержки Intel выпустил специальный чипсет для связи Pentium с 64-разрядным внешним кэшем и шиной PCI.

Большинство Pentium (75MHz и выше) работают на 3.3V с 5V вводом-выводом. У Pentium двойной потоковый суперскалярный дизайн, позволяющий ему выполнять больше инструкций за тик. Пять стадий (загрузка, декодирование, генерация адреса, выполнение и выгрузка) при исполнении целочисленных инструкций остаются, как в 486, но Pentium имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих ему читать, интерпретировать, выполнять, и записывать две операции одновременно. Так проводятся только целочисленные операции - с дробными числами обращается отдельный модуль плавающей точки.

Pentium также использует два 8-килобайтных ассоциативных буфера, более известных как первичный или первого уровня кэш) - один для инструкций и другой для данных. Объем кэша удвоен по сравнению с предшественником, 486. Этот кэш добавляет к производительности, поскольку действует как временное хранилище информации для данных, доставляемых из медленной основной памяти.

Буфер Ветвлений (BTB) обеспечивает динамическое предсказание ветвлений. Он улучшает выполнение инструкций запоминанием способа ветвления и применением той же ветви при следующем выполнении инструкции. Когда BTB делает правильное предсказание, производительность увеличивается. 80-точечный Модуль Плавающей Точки обеспечивает арифметическое средство для обращения с "вещественными" числами.

Обзор процессоров

Интеловский Pentium Pro, выпущенный в конце 1995 года с ядром CPU, состоящим из 5.5 миллионов транзисторов, плюс 15.5 миллионов транзисторов во вторичном кэше, изначально предназначался для рынка серверов и high-end рабочих станций. Этот суперскалярный процессор включает особенности процессоров высшей категории и оптимизирован под 32-битные операции.

Pentium Pro отличается от Pentium"а наличием встроенного вторичного кэша размером от 256kb до 1mb, работающего на внутренней частоте. Помещение вторичного кэша на чипе, а не на системной плате, позволяет передавать данные по 64-битному каналу, а не по 32-битной системной шине у Pentium. Такая физическая близость также добавляет к росту производительности. Эта комбинация настолько мощна, что 256kb встроенного кэша эквивалентны 2mb на системной плате.

Даже большим фактором в производительности Pentium Pro является комбинация технологий, известных как "динамическое выполнение". Оно включает предсказание ветвлений, анализ потока данных и спекулятивное выполнение. Их комбинирование позволяет позволяет процессору использовать пропадающие иначе циклы тиков, производя предсказания программного потока выполнения инструкций вперед.

Pentium Pro был также первым процессором в семействе x86 с применением сверх поточности (superpipelining), этот поток включает 14 стадий, делящихся на три секции. Очередная подготовительная секция, обрабатывающая декодирование и вывод инструкции, состоит из восьми стадий. Внеочередное ядро, выполняющее инструкцию, имеет три стадии и очередное завершение состоит из трех финальных стадий.

Другим, более важным отличием Pentium Pro является его обращение с инструкциями. Он получает CISC (Complex Instruction Set Computer) x86 инструкции, и преобразовывает их во внутренний RISC (Reduced Instruction Set Computer) микрокод. Преобразование спроектировано так, чтобы избежать некоторые ограничения, унаследованные от набора инструкций x86, таких как нерегулярное декодирование инструкций и арифметические операции регистр-в-память. Микрокод затем пересылается во внеочередной исполнитель инструкций, который определяет, готова ли инструкция к выполнению, и, если нет, передвигает код по кругу, чтобы предотвратить застопорение потока.

У миграции в сторону RISC есть свои минусы. Во-первых, преобразование инструкций занимает время, пусть оно даже меряется в нано- или микросекундах. В результате Pentium Pro неизбежно тратит производительную мощь на обработку инструкций. Второй минус в том, что внеочередной дизайн может частично влиять на 16-битный код, приводя к застопориванием. Это может быть причиной частичного обновления регистра, происходящего до полного чтения регистра, и налагать строгие производственные издержки до семи циклов тика.

Pentium Pro был первым микропроцессором, не использующим почтенный Socket 7, требуя большего 242-контактного интерфейса Socket 8 и ново годизайна системных плат.

MultiMedia eXtensions

Процессор Intel’s P55C MMX с мультимедиа расширением выпускается с начала 1997 года. Он представил наиболее значительное изменение базисной архитектуры процессоров PC за последние десять лет и обеспечивал три главных улучшения:

• встроенный кэш первого уровня стандартного Pentium удваивался до 32kb
• добавлено 57 новых инструкций, предназначенных специально для более эффективного манипулирования видео, аудио и графическими данными
• был развит новый процесс, названный SIMD (Single Instruction Multiple Data - Одна Инструкция Много Данных) и позволяющий выполнять одинаковую инструкцию ко многим экземплярам данных одновременно.

Больший первичный кэш значит, что процессор имеет под рукой больше данных, уменьшая нужду в получении данных из кэша второго уровня, что положительно отражается на всех программах. Новые инструкции, применяемые в совокупности с SIMD и восемью расширенными (64-битными) регистрами, значительно используют параллелизм, когда восемь байт данных можно обработать за один цикл, а не по одному за цикл. Получается специальное преимущество для мультимедиа- и графических приложений, таких как аудио и видео де/кодирование, масштабирование образов и интерполяция. Вместо перемещения восьми пикселей графических данных процессором по одному за раз, эти восемь пикселей могут быть передвинуты как один 64-битный пакет, и обработаны за один цикл.

По утверждениям Intel, эти усовершенствования дают 10-20% увеличение скорости для не-MMX приложений, и более 60% ускорения для MMX приложений.

Заметное отсутствие MMX версии для ноутбуков Intel исправил в конце 1997 года объявлением мобильных версий процессора с кодовым названием Tillamook, по имени небольшого города в Opегоне. Новые процессоры с частотой 200 и 233MHz и технологией MMX на некоторое время выдвинули ноутбуки на уровень настольных систем. 226MHz версия была выпущена позже в 1998 году.

Tillamook - это первый процессор, построенный на развитом Intel Mobile Module для ноутбуков (MMO). Модуль держит процессор, 512kb вторичного кэша, регулятор напряжения для питания процессора от высшего внешнего напряжения, часы, и новый "северный мост" 430TX PCI. Соединяется с системной платой рядом из 280 разъемов, подобно SEC картриджу Pentium II.

Наибольшим отличием в самом чипе было применение 0.25-микронной технологии по сравнению с применявшейся раннее Intel в мобильных чипах 0.28. Меньший микрон фактор оказал влияние на частоту и напряжение: транзисторы в процессоре (с электрическими нулями и единицами) ближе примыкались, и скорость автоматически увеличивалась. Так как транзисторы сближались, напряжение уменьшалось, чтобы избежать разрушений от сильных электрических полей. Предыдущие версии мобильных интеловских процессоров питались от 2.45v на ядре, а у Tillamook оно было опушено до 1.8v. Регулятор напряжения требовался для защиты чипа от шин PCI и памяти, которые работали на 3.3v. От уменьшения напряжения на процессоре значительно экономилась энергия.

Выпущенный с середины 1997 года, Pentium II ввел ряд больших изменений в мир процессоров PC.

Во-первых, чип и системный кэш второго уровня соединялись по выделенной шине, способной работать на частоте шины процессор-система.

Во вторых, процессор, вторичный кэш и тепло отвод были смонтированы на небольшой плате, вставлявшейся в разъем на системной плате, что больше напоминало карту расширения, чем традиционную схему процессор/гнездо. Intel окрестил это Single Edge Contact cartridge (SEC) - односторонне контактный картридж. В этом картридже находятся шесть отдельных компонент - процессор, четыре индустриально стандартных burst-static-cache RAM и один tag RAM. Дизайн SEC картриджа наделял важными преимуществами. PGA-компоновка Pentium Pro требовала 387 контактов, в то время как SEC-картридж - только 242. Уменьшение на треть числа контактов произошло благодаря наличию в картридже дискретных элементов, таких как замыкающие резисторы и конденсаторы. Эти элементы обеспечивают расщепление сигналов, что значит намного меньшее число требуемых разъемов питания. Разъем SEC-картриджа использует так называемый Slot 1 и воспринимается как принимающий эстафету у уходящего Socket 7.

Третье изменение - в большем синтезе, так как Pentium II объединяет Dual Independent Bus (DIB) от Pentium Pro c технологией MMX от Pentium MMX, формируя новый вид - гибрид Pentium Pro/MMX. Таким образом, внешне очень отличный от предыдущих интеловских процессоров, Pentium II внутренне являет собой смесь новых технологий и улучшений старых чипов.

И наконец, в отличие от Pentium Pro, работающего на 3.3v, Pentium II питается от 2.8v, позволяя Intel пускать его на больших частотах без чрезмерного увеличения требование к мощности. В то время, как 200MHz Pentium Pro с 512kb кэша потребляет 37.9 ватт, 266MHz Pentium II с 512kb кэша сжигает 37.0 ватт.

Подобно Pentium Pro, Pentium II применяет интеловскую Технологию Динамического Исполнения. Когда программная инструкция считывается в процессор и декодируется, она попадает в исполняемый пул. Технология Динамического Исполнения принимает три основных подхода к оптимизации способа обращения процессора с кодом. Множественные Предсказания Ветвлений проверяют программный поток вдоль нескольких ветвей и предсказывают, где в памяти находится следующая инструкция.

Когда процессор читает, он также проверяет следующие инструкции в потоке, ускоряя в результате рабочее течение. Анализ Потока Данных оптимизирует последовательность, в которой инструкции будут выполняться, проверяя декодированные инструкции и определяя, готовы ли они для обработки или зависят от других инструкций. Спекулятивное Выполнение увеличивает скорость таких инструкций просмотром вперед от текущей инструкции и обработкой дальнейших инструкций, которые вероятно могут понадобится. Эти результаты хранятся как спекулятивные до тех пор, пока процессор не определит, какие ему нужны, а какие - нет. С этой точки инструкция возвращается в нормальную очередь и добавляется к потоку.

У Технологии Динамического Исполнения есть два основных преимущества: Инструкции обрабатываются быстрее и эффективнее, чем обычно, и, в отличие от CPU с применением RISC архитектуры, программы не надо перекомпилировать для извлечения выгод процессора. Процессор все делает на лету.

Значительной новой особенностью является удаление вторичного кэша из собственно процессора на отдельную кремниевую пластину в картридже. Процессор читает и пишет данные в кэше используя специализированную высокоскоростную шину. Называемая задней (backside) шиной, она отделена от системной шины процессор-память (сейчас называемой передней (frontside) шиной). Процессор может использовать обе шины одновременно, но архитектура двойной независимой шины имеет другие преимущества.

Хотя шина между процессором и кэшем второго уровня работает медленнее, чем на обычном Pentium Pro (на половине скорости процессора), она чрезвычайно масштабируема. Чем быстрее процессор, тем быстрее кэш, независимо от 66MHz передней шины. Вдобавок, передняя шина может быть увеличена с 66 до 100MHz без влияния на шину кэша второго уровня. Также очевидно, что наличие памяти на одном кристалле с процессором негативно сказывается на проценте выхода годных 512kb Pentium Pro, сохраняя высокими цены. Pentium II опирается на GTL+ (gunning-transceiver-logic) логику хост-шины, допускающую естественную поддержку двух процессоров. Во время выхода это обеспечивало стоимостно эффективное минималистское двухпроцессорное решение, допускаемое симметричной мультипроцессорностью (SMP). Двухпроцессорное ограничение налагалось не самим Pentium II, а поддержкой чипсета. Изначальное ограничение чипсета двухпроцессорной конфигурацией позволяло Intel и поставщикам рабочих станций предлагать двухпроцессорные системы как временное и экономичное решение, что по другому и не было возможно. Это ограничение было снято с середины 1998 года с выходом чипсета 450NX, поддерживающего от одного до четырех процессоров. Чипсет 440FX, содержащий чипы PMC и DBX, не допускал чередования (interleaving) памяти, но поддерживал EDO DRAM, позволяя улучшать производительность памяти уменьшением ожидания.

Когда Intel проектировал Pentium II, он также взялся за слабую 16-битную производительность его предшественника. Pentium Pro роскошно работает с полностью 32-битным обеспечением, таким как Windows NT, но опускается ниже стандартного Pentium"а, обрабатывая 16-битный код. Это влечет худшую чем Pentium производительность под Windows 95, большие части которой пока 16-битны. Intel решил эту проблему использованием пентиумного кэша с дескрипторами сегментов в Pentium II.

Как и Pentium Pro, Pentium II чрезвычайно быстр в арифметике плавающей точки. В сочетании с Accelerated Graphics Port (AGP) это делает Pentium II мощным решением для высокопроизводительной 3D графики.

333MHz воплощение Pentium II под кодовым названием Deschutes (по реке, текущей в Орегоне), было анонсировано в начале 1998 года с планируемыми в течение года 400MHz и выше. Имя Deschutes в действительности относится к двум разным линиям CPU.

Версия для Slot 1 - ничего более, чем слегка эволюционировавший Pentium II. Архитектура и физический дизайн идентичны, за исключением того, что Deschutes Slot 1 частью сделан с использованием 0.25-микронной технологии, введенной осенью 1997 года с ноутбучным процессором Tillamook, по сравнению с 233-300MHz версиями, выполненными по 0.35-микронному процессу. Применение 0.25-микрон означает, что транзисторы на матрице физически ближе между собой и CPU потребляет меньше энергии, а следовательно рассеивает меньше тепла на данной частоте, позволяя ядру тикать на больших частотах.

Все иное у Slot 1 Deschutes идентично обычному Pentium II. Смонтированный на основание и заключенный в SEC картридж, он поддерживает набор инструкций MMX и общается с 512kb вторичного кэша на половинной частоте ядра. Он имеет тот же конечный коннектор, и работает на тех же системных платах с теми же чипсетами. Как таковой он работает с 440FX или 440LX на внешней частоте 66MHz.

С весны 1998 года большой шаг в производительности пришел со следующим воплощением Deschutes, когда вышел новый чипсет 440BX, допускающий 100MHz передачу по системной шине, уменьшая закупоривание данных и поддерживая частоты от 350 до 400MHz.

Другой процессор, зовущийся Deschutes, относится к Slot 2, выпущен с середины 1998 года как Pentium II Xeon. Intel разбил Slot 1 и Slot 2 Deschutes на взаимодополняющие товарные линии, где Slot 1 предназначен для массового производства, а Slot 2 нацелен на high-end серверы и туда, где цена вторична по отношению к производительности.

Мобильный Pentium II

Естественное продвижение маломощного (в смысле энерго потребления/рассеивания) семейства Pentium II Deschutes на рынок портативных PC осуществилось с выпуском линейки мобильных Pentium II в апреле 1998 года. Новый процессор и его компаньон мобильный 440BX чипсет, изначально были доступны в 233 и 266MHz вариантах, скомпонованные в существующий мобильный модуль (MMO) или новый мини-картридж формат. Intel ожидает к концу 1998 года более половины из снаряженных его мобильными процессорами PC будут уже Pentium II, а срок мобильных Pentium II Tillamook окончится к середине 1999 года.

В попытке лучшего удовлетворения сектора дешевых PC, до настоящего времени вотчины производителей клонов, AMD и Cyrix, продолжающих развивать унаследованную архитектуру Socket 7, Intel выпустил свой ряд процессоров Celeron в апреле 1998 года.

Основанный на той же P6 архитектуре, что и Pentium II, и используя тот же 0.25-микронный процесс, Celeron-системы предлагают полный комплект последних технологий, включая поддержку AGP графики, ATA-33 жестких дисков, SDRAM и ACPI. Celeron будет работать на любом интеловском Pentium II чипсете, поддерживающим 66MHz системной шины, включая 440LX, 440BX и новый 440EX, специально спроектированный для рынка "базовых" PC. В отличие от Pentium II с его SEC картриджем, Celeron не имеет защитного пластикого покрытия вокруг карт процессора, что Intel называет Single Edge Processor Package (SEPP). Он полностью совместим со Slot1, что позволяет использовать существующие платы, но механизм крепления для карты CPU не адаптирован для форм фактора SEPP.

Первые 266 и 300MHz Celeron"ы без кэша второго уровня встретили мало энтузиазма на рынке, не неся или неся мало преимуществ над системами-клонами Socket 7. В августе 1998 года Intel пополнил ряд Celeron семейством процессором, названных Mendocino. Снабженный 128kb вторичного кэа на матрице, работающего на полной частоте процессора, и соединяясь через внешнюю 66MHz шину, новый Celeron стал намного более живым, чем его вялый предшественник. Отчасти путано, две доступные версии получили названия Celeron 333 и 300a. Первый является основной версией, совместимый с существующей интеловской архитектурой, в то время как второй патентует Pin 370 socket, отличный от Socket 7 и Socket 1, нацеленный на дешевые low-end машины.

В июне 1998 года Intel предложил свой процессор Pentium II Xeon. Технически Xeon представляет комбинацию технологий Pentium Pro и Pentium II и спроектирован, чтобы предложить выдающуюся производительность в критических приложениях рабочих станций и серверов. Используя новый интерфейс Slot 2, Xeon приблизительно вдвое больше размера Pentium II, в основном из-за увеличения кэша второго уровня.

Как и 350 и 400MHz Pentium II CPU, передняя шина работает на 100MHz для увеличения обмена. Наиболее значительным отличием от стандартного Pentium II является то, что кэш второго уровня работает на полной частоте ядра CPU, в отличие от дизайна Slot 1, ограничивающего вторичный кэш половиной частоты ядра, что позволяет Intel использовать дешевый готовый burst SRAM как вторичный кэш, а не производя свой собственный заказной SRAM. Намного более дорогой заказной полноскорстной кэш служит главной причиной разницы в ценах между Slot 1 и Slot 2 решениями.

Чип поставляется с тремя размерами вторичного кэша. Рабочие станции снабжаются 512kb версией. 1mb версия, выпущенная позднее, используется для серверов, до тех пор, пока 2mb версия ожидается (позднее в этом году). Система кэша второго уровня подобна типу, используемому в Pentium Pro, это одна из основных составляющих стоимости Xeon. Другая состоит в том, что корректирующий ошибки (ECC) SRAM стал стандартом во всех Xeon-ах.

Другим преодоленным Xeon"ом ограничением стал дуальный SMP (symmetric multiprocessor). Невозможность запуска мультипроцессорных Pentium II систем с более чем двумя процессорами было основной причиной выживания Pentium Pro в секторе high-end серверов, когда требуется четыре, шесть или восемь процессоров. Slot 2 обеспечивает четырехстороннюю мультипроцессорность.

Хотя Intel решил направить Xeon на оба рынка - рабочих станций и серверов, он разработал разные чипсеты системных плат для каждого из них. 440GX построен вокруг архитектуры ядра 440BC чипсета и предназначен для рабочих станций. 450NX, с другой стороны, спроектирован специально для рынка серверов.

Будущие разработки Intel

Intel сейчас имеет в разработке ряд процессоров

• Katmai, названный в честь вулкана на Аляске, отмечен как новая версия Pentium II. Katmai будет основан на P6 архитектуре, начатой Pentium Pro. Подобно Deschutes, этот чип строится на интеловском 0.25-микронном процессе. Наиболее значительным отличием будет ревизия MMX расширения поднятием до MMX2. MMX2 содержит больше 32-битных инструкций - существующий MMX во многом 16-битен - и значительно улучшает производительность 3D графики. Другие изменения включают 100MHz внешнюю шину, увеличенный Level 1 кэш и новую логику ядра чипсета, спроектированную для преодоления 500MHz рубежа скорости Pentium II. Katmai наиболее вероятно увидит свет в начале 1999 года.
• Dixon, следующий представитель семьи Mendocino, обещается во второй половине 1999 года. Вероятно, он будет включать больше кэша второго уровня (192 или 256kb) и Katmai New Instructions (KNI), наконец полностью вытиснившие MMX.
• Willamette, названный по другой орегонской реке, - изменение поступи Intel. С развитым ядром Pentium Pro и возможностью 100MHz внешней шины, Willamette ожидается более чем на 50% быстрее существующих Pentium II. Willamette по слухам усилит производительность плавающей точки и поддержку 3D геометрии. Он найдет свой путь на рынок в конце 1999 года, но не станет массовым в настольных системах до 2000-го.
• Merced, названый по калифорнийской реке, отметит конец процессоров, использующий x86 архитектуру. Результат совместного проекта исследований Hewlett-Packard и Intel, Merced станет первым процессором, использующим полный 64-битный IA-64 набор инструкций. Это должно привести к производительности, превосходящей старые RISC и CISC процессоры. Merced, однако, еще будет способен выполнять x86 инструкции, но не без ущерба в производительности. Merced, появление которого ожидается к середине 2000 года, позиционируется как новая эра в вычислительной мощи. Он, вероятно, будет обслуживать в основном рынок серверов и рабочих станций, в то время как Willamette, по существу обрезанная версия Mersed, будет работать в high-end персональных компьютерах.



Как проверить южный мост на материнской плате

Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.

Кэш-память - это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти - скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти - это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.

Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, давайте представим себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью.

Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь, увеличивает скорость доступа к ним.

Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.

Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано «после». Вот такие непростые принципы функционирования.

Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2 -ух или 3-ёх уровней. Конечно же, бывают и исключения, но зачастую это именно так.

В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). Теперь немного подробнее по каждому из них:

1. Кэш первого уровня (L1) - наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

Мы будем рассматривать объёмы на процессоре высокого уровня производительности Intel Core i7-3770K. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ)

2. Кэш второго уровня (L2) - второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3. Если обратиться снова к нашему примеру Core i7-3770 K, то здесь объём кэш-памяти L2 составляет 4х256 Кб = 1 Мб.

3. Кэш третьего уровня (L3) - третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии по типу i7-3960X, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20.

Рассмотрим CISK и RISK архитектуру.

CISC -- концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

Нефиксированное значение длины команды;

Арифметические действия кодируются в одной команде;

Небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Типичными представителями являются процессоры на основе команд x86 (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0.

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 -- до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Недостатки CISK архитектуры:

Высокая стоимость аппаратной части;

Сложности с распараллеливанием вычислений.

Методика построения системы команд CISC противоположна другой методике - RISC. Различие этих концепций состоит в методах программирования, а не в реальной архитектуре процессора. Практически все современные процессоры эмулируют наборы команд как RISC так и CISC типа.

В рабочих станциях, серверах среднего звена и персональных компьютерах используются процессоры с CISC. Наиболее распространенная архитектура команд процессоров мобильных уcтройств - SOC и мэйнфреймов - RISC. В микроконтроллерах различных устройств RISC используется в подавляющем большинстве случаев.

RISC -- архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения -- короче. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками).

Наборы инструкций в более ранних архитектурах для облегчения ручного написания программ на языках ассемблеров или прямо в машинных кодах, а также для упрощения реализации компиляторов, выполняли как можно больше работы. Нередко в наборы включались инструкции для прямой поддержки конструкций языков высокого уровня. Другая особенность этих наборов -- большинство инструкций, как правило, допускали все возможные методы адресации -- к примеру, и операнды, и результат в арифметических операциях доступны не только в регистрах, но и через непосредственную адресацию, и прямо в памяти. Позднее такие архитектуры были названы CISC. Однако многие компиляторы не задействовали все возможности таких наборов инструкций, а на сложные методы адресации уходит много времени из-за дополнительных обращений к медленной памяти. Было показано, что такие функции лучше исполнять последовательностью более простых инструкций, если при этом процессор упрощается и в нём остаётся место для большего числа регистров, за счёт которых можно сократить количество обращений к памяти. В первых архитектурах, причисляемых к RISC, большинство инструкций для упрощения декодирования имеют одинаковую длину и похожую структуру, арифметические операции работают только с регистрами, а работа с памятью идёт через отдельные инструкции загрузки (load) и сохранения (store). Эти свойства и позволили лучше сбалансировать этапы конвейеризации, сделав конвейеры в RISC значительно более эффективными и позволив поднять тактовую частоту.

Характерные особенности RISK процессоров:

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

Специализированные команды для операций с памятью -- чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).

Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных -- байт, 16-битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.

Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALCode (Privileged Architecture Library), помещённом в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-битного в 32-битный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

Рассмотрим конвейеры.

Конвемйер -- это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров.

Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

Сам термин «конвейер» пришёл из промышленности, где используется аналогичный принцип работы -- материал автоматически подтягивается по ленте конвейера к рабочему, который осуществляет с ним необходимые действия, следующий за ним рабочий выполняет свои функции над получившейся заготовкой, следующий делает еще что-то, таким образом, к концу конвейера цепочка рабочих полностью выполняет все поставленные задачи, не срывая, однако, темпов производства. Например, если на самую медлительную операцию затрачивается одна минута, то каждая деталь будет сходить с конвейера через одну минуту.

Считается, что впервые конвейерные вычисления были использованы либо в проекте ILLIAC II (англ. en:ILLIAC II), либо в проекте IBM Stretch (англ. en:IBM Stretch). Проект IBM Stretch предложил термины «получение» (англ. «Fetch»), «расшифровка» (англ. «Decode») и «выполнение» (англ. «Execute»), которые затем стали общеупотребимыми.

Многие современные процессоры управляются тактовым генератором. Процессор внутри состоит из логических элементов и ячеек памяти -- триггеров. Когда приходит сигнал от тактового генератора, триггеры приобретают своё новое значение и логике требуется некоторое время для декодирования новых значений. Затем приходит следующий сигнал от тактового генератора, триггеры принимают новые значения, и так далее.

Разбивая последовательности логических элементов на более короткие и помещая триггеры между этими короткими последовательностями уменьшают время, необходимое логике для обработки сигналов. В этом случае длительность одного такта процессора может быть соответственно уменьшена.

При написании ассемблерного кода (либо разработке компилятора, генерирующего последовательность инструкций) делается предположение, что результат выполнения инструкций будет точно таким, как если бы каждая инструкция заканчивала выполняться до начала выполнения следующей за ней. Использование конвейера сохраняет справедливость этого предположения, однако не обязательно сохраняет порядок выполнения инструкций. Ситуация, когда одновременное выполнение нескольких инструкций может привести к логически некорректной работе конвейера, известна как «конфликт конвейера» (англ. Pipeline hazard). Существуют различные методы устранения конфликтов (форвардинг и другие).

Бесконвейерная архитектура значительно менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных модулей процессора в то время, пока один или небольшое число модулей выполняет свою роль во время обработки инструкций. Конвейер не убирает полностью время простоя модулей в процессорах как таковое и не уменьшает время выполнения каждой конкретной инструкции, но заставляет модули процессора работать параллельно над разными инструкциями, увеличивая тем самым количество инструкций, выполняемых за единицу времени, а значит и общую производительность программ.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так -- до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.

Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере, где обработка инструкции представлена пятью стадиями, для обеспечения полной загрузки, в то время пока заканчивается обработка первой инструкции, должно обрабатываться параллельно ещё четыре последовательных независимых инструкции. Если последовательность содержит инструкции, зависимые от выполняемых в данный момент, то управляющая логика простейшего конвейера приостанавливает несколько начальных стадий конвейера, помещая этим самым в конвейер пустую инструкцию («пузырёк»), иногда неоднократно, -- до тех пор, пока зависимость не будет разрешена. Существует ряд приёмов, таких как форвардинг, значительно снижающих необходимость приостанавливать в таких случаях часть конвейера. Однако зависимость между инструкциями, одновременно обрабатываемыми процессором, не позволяет добиться увеличения производительности кратно количеству стадий конвейера в сравнении с бесконвейерным процессором.

Преимущества и недостатки.

Конвейер помогает не во всех случаях. Существует несколько возможных минусов. Конвейер инструкций можно назвать «полностью конвейерным», если он может принимать новую инструкцию каждый машинный цикл (англ. en:clock cycle). Иначе в конвейер должны быть вынужденно вставлены задержки, которые выравняют конвейер, при этом ухудшат его производительность.

Преимущества:

Время цикла процессора уменьшается, таким образом увеличивая скорость обработки инструкций в большинстве случаев.

Некоторые комбинационные логические элементы, такие как сумматоры (англ. adders) или умножители (англ. multipliers) могут быть ускорены путем увеличения количества логических элементов. Использование конвейера может предотвратить ненужное наращивание количества элементов.

Недостатки:

Беcконвейерный процессор исполняет только одну инструкцию за раз. Это предотвращает задержки веток инструкций (фактически, каждая ветка задерживается), и проблемы, связанные с последовательными инструкциями, которые исполняются параллельно. Следовательно, схема такого процессора проще и он дешевле для изготовления.

Задержка инструкций в беcконвейерном процессоре слегка ниже, чем в конвейерном эквиваленте. Это происходит из-за того, что в конвейерный процессор должны быть добавлены дополнительные триггеры.

У беcконвейерного процессора скорость обработки инструкций стабильна. Производительность конвейерного процессора предсказать намного сложнее, и она может значительно различаться в разных программах.

центральный графический процессор производитель

Компания Intel прошла очень длинный путь развития, от небольшого производителя микросхем до мирового лидера по производству процессоров. За это время было разработано множество технологий производства процессоров, очень сильно оптимизирован технологический процесс и характеристики устройств.

Множество показателей работы процессоров зависит от расположения транзисторов на кристалле кремния. Технологию расположения транзисторов называют микроархитектурой или просто архитектурой. В этой статье мы рассмотрим какие архитектуры процессора Intel использовались на протяжении развития компании и чем они отличаются друг от друга. Начнем с самых древних микроархитектур и рассмотрим весь путь до новых процессоров и планов на будущее.

Как я уже сказал, в этой статье мы не будем рассматривать разрядность процессоров. Под словом архитектура мы будем понимать микроархитектуру микросхемы, расположение транзисторов на печатной плате, их размер, расстояние, технологический процесс, все это охватывается этим понятием. Наборы инструкций RISC и CISC тоже трогать не будем.

Второе, на что нужно обратить внимание, это поколения процессора Intel. Наверное, вы уже много раз слышали - этот процессор пятого поколения, тот четвертого, а это седьмого. Многие думают что это обозначается i3, i5, i7. Но на самом деле нет i3, и так далее - это марки процессора. А поколение зависит от используемой архитектуры.

С каждым новым поколением улучшалась архитектура, процессоры становились быстрее, экономнее и меньше, они выделяли меньше тепла, но вместе с тем стоили дороже. В интернете мало статей, которые бы описывали все это полностью. А теперь рассмотрим с чего все начиналось.

Архитектуры процессора Intel

Сразу говорю, что вам не стоит ждать от статьи технических подробностей, мы рассмотрим только базовые отличия, которые будут интересны обычным пользователям.

Первые процессоры

Сначала кратко окунемся в историю чтобы понять с чего все началось. Не будем углубятся далеко и начнем с 32-битных процессоров. Первым был Intel 80386, он появился в 1986 году и мог работать на частоте до 40 МГц. Старые процессоры имели тоже отсчет поколений. Этот процессор относиться к третьему поколению, и тут использовался техпроцесс 1500 нм.

Следующим, четвертым поколением был 80486. Используемая в нем архитектура так и называлась 486. Процессор работал на частоте 50 МГц и мог выполнять 40 миллионов команд в секунду. Процессор имел 8 кб кэша первого уровня, а для изготовления использовался техпроцесс 1000 нм.

Следующей архитектурой была P5 или Pentium. Эти процессоры появились в 1993 году, здесь был увеличен кэш до 32 кб, частота до 60 МГц, а техпроцесс уменьшен до 800 нм. В шестом поколении P6 размер кэша составлял 32 кб, а частота достигла 450 МГц. Тех процесс был уменьшен до 180 нм.

Дальше компания начала выпускать процессоры на архитектуре NetBurst. Здесь использовалось 16 кб кэша первого уровня на каждое ядро, и до 2 Мб кэша второго уровня. Частота выросла до 3 ГГц, а техпроцесс остался на том же уровне - 180 нм. Уже здесь появились 64 битные процессоры, которые поддерживали адресацию большего количества памяти. Также было внесено множество расширений команд, а также добавлена технология Hyper-Threading, которая позволяла создавать два потока из одного ядра, что повышало производительность.

Естественно, каждая архитектура улучшалась со временем, увеличивалась частота и уменьшался техпроцесс. Также существовали и промежуточные архитектуры, но здесь все было немного упрощено, поскольку это не является нашей основной темой.

Intel Core

На смену NetBurst в 2006 году пришла архитектура Intel Core. Одной из причин разработки этой архитектуры была невозможность увеличения частоты в NetBrust, а также ее очень большое тепловыделение. Эта архитектура была рассчитана на разработку многоядерных процессоров, размер кэша первого уровня был увеличен до 64 Кб. Частота осталась на уровне 3 ГГц, но зато была сильно снижена потребляемая мощность, а также техпроцесс, до 60 нм.

Процессоры на архитектуре Core поддерживали аппаратную виртуализацию Intel-VT, а также некоторые расширения команд, но не поддерживали Hyper-Threading, поскольку были разработаны на основе архитектуры P6, где такой возможности еще не было.

Первое поколение - Nehalem

Дальше нумерация поколений была начата сначала, потому что все следующие архитектуры - это улучшенные версии Intel Core. Архитектура Nehalem пришла на смену Core, у которой были некоторые ограничения, такие как невозможность увеличить тактовую частоту. Она появилась в 2007 году. Здесь используется 45 нм тех процесс и была добавлена поддержка технологии Hyper-Therading.

Процессоры Nehalem имеют размер L1 кэша 64 Кб, 4 Мб L2 кэша и 12 Мб кєша L3. Кэш доступен для всех ядер процессора. Также появилась возможность встраивать графический ускоритель в процессор. Частота не изменилась, зато выросла производительность и размер печатной платы.

Второе поколение - Sandy Bridge

Sandy Bridge появилась в 2011 году для замены Nehalem. Здесь уже используется техпроцесс 32 нм, здесь используется столько же кэша первого уровня, 256 Мб кэша второго уровня и 8 Мб кэша третьего уровня. В экспериментальных моделях использовалось до 15 Мб общего кэша.

Также теперь все устройства выпускаются со встроенным графическим ускорителем. Была увеличена максимальная частота, а также общая производительность.

Третье поколение - Ivy Bridge

Процессоры Ivy Bridge работают быстрее чем Sandy Bridge, а для их изготовления используется техпроцесс 22 нм. Они потребляют на 50% меньше энергии чем предыдущие модели, а также дают на 25-60% высшую производительность. Также процессоры поддерживают технологию Intel Quick Sync, которая позволяет кодировать видео в несколько раз быстрее.

Четвертое поколение - Haswell

Поколение процессора Intel Haswell было разработано в 2012 году. Здесь использовался тот же техпроцесс - 22 нм, изменен дизайн кэша, улучшены механизмы энергопотребления и немного производительность. Но зато процессор поддерживает множество новых разъемов: LGA 1150, BGA 1364, LGA 2011-3, технологии DDR4 и так далее. Основное преимущество Haswell в том, что она может использоваться в портативных устройствах из-за очень низкого энергопотребления.

Пятое поколение - Broadwell

Это улучшенная версия архитектуры Haswell, которая использует техпроцесс 14 нм. Кроме того, в архитектуру было внесено несколько улучшений, которые позволили повысить производительность в среднем на 5%.

Шестое поколение - Skylake

Следующая архитектура процессоров intel core - шестое поколение Skylake вышла в 2015 году. Это одно из самых значительных обновлений архитектуры Core. Для установки процессора на материнскую плату используется сокет LGA 1151, теперь поддерживается память DDR4, но сохранилась поддержка DDR3. Поддерживается Thunderbolt 3.0, а также шина DMI 3.0, которая дает в два раза большую скорость. И уже по традиции была увеличенная производительность, а также снижено энергопотребление.

Седьмое поколение - Kaby Lake

Новое, седьмое поколение Core - Kaby Lake вышло в этом году, первые процессоры появились в середине января. Здесь было не так много изменений. Сохранен техпроцесс 14 нм, а также тот же сокет LGA 1151. Поддерживаются планки памяти DDR3L SDRAM и DDR4 SDRAM, шины PCI Express 3.0, USB 3.1. Кроме того, была немного увеличена частота, а также уменьшена плотность расположения транзисторов. Максимальная частота 4,2 ГГц.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели архитектуры процессора Intel, которые использовались раньше, а также те, которые применяются сейчас. Дальше компания планирует переход на техпроцесс 10 нм и это поколение процессоров intel будет называться CanonLake. Но пока что Intel к этому не готова.

Поэтому в 2017 планируется еще выпустить улучшенную версию SkyLake под кодовым именем Coffe Lake. Также, возможно, будут и другие микроархитектуры процессора Intel пока компания полностью освоит новый техпроцесс. Но обо всем этом мы узнаем со временем. Надеюсь, эта информация была вам полезной.

Об авторе

Основатель и администратор сайта сайт, увлекаюсь открытым программным обеспечением и операционной системой Linux. В качестве основной ОС сейчас использую Ubuntu. Кроме Linux интересуюсь всем, что связано с информационными технологиями и современной наукой.

Что общего у микроволновки и суперкомпьютера, у калькулятора и марсохода? Микропроцессор. Эта маленькая, но архиважная деталь – неотъемлемая часть любого электронного устройства, какую бы функцию оно ни выполняло, ведь именно микропроцессор отвечает за «мышление» прибора. Конечно, процессор не думает в полном смысле этого слова, однако он способен делать то, что не может человек – очень-очень быстро считать. И если дать процессору необходимую информацию и «объяснить», что с ней делать, то есть запрограммировать его, – мы получим очень полезного железного друга. Можно без преувеличения сказать, что микропроцессоры изменили наш мир.

Современные микропроцессоры сильно отличаются от тех, что разрабатывались в 1950-60-х годах. Например, первоначально процессор разрабатывался для небольшого количества уникальных компьютеров, а порой и вовсе единственного компьютера. Это был довольно дорогостоящий процесс, почему неудивительно, что от него отказались. Сегодня подавляющее большинство процессоров представляют собой серийные универсальные модели, подходящие для большого числа компьютеров.

Другое отличие многих современных ЦП в том, что они представляют собой микроконтроллеры – более универсальные схемы, в которых процессор соединен с дополнительными элементами. Это может быть память, различные порты, таймеры, контроллеры внешних устройств, модули управления интерфейсами и т.д.

SoC-процессоры

Большинство современных процессоров так или иначе основаны на принципах, заложенных еще в 1940-х годах американо-венгерским ученым Джоном фон Нейманом, хотя, конечно, они прошли очень длинный путь развития по меркам технологий. Одна из главных на сегодняшний день процессорных архитектур называется SoC, или система на чипе (англ. system on a chip). Это тоже микроконтроллерная архитектура, но еще более плотная. Здесь целый ряд компонентов помещаются на одном полупроводниковом кристалле. Это как бы не процессор, а целый компьютер. Такой подход позволяет упростить и удешевить сборку и процессоров, и целых устройств.

Именно SoC-процессоры используются в подавляющем большинстве современных смартфонов и планшетов. Например, SoC-процессорами являются чипы британской фирмы ARM, на которой работает большинство Android-устройств , а также смартфоны iPhone и планшеты iPad. ARM-процессоры используются и в чипсетах MediaTek , где их число доходит до десяти.

RISC-процессоры

Технология RISC означает упрощенный набор команд (англ. reduced instruction set computer), ее впервые предложили в компании IBM. В основу RISC положена идея максимального повышения быстродействия посредством упрощения инструкций и ограничения их длины. Благодаря этому подходу стало возможным не только повысить тактовую частоту, но и сократить так называемый процессорный конвейер – очередь из команд на выполнение, а также снизить тепловыделение и потребление энергии.

Первые RISC-процессоры были настолько простыми, что не имели даже операций деления и умножения, однако они быстро прижились в мобильных технологиях. На архитектуре RISC основано большинство современных процессоров. Это, во-первых, уже упоминавшиеся процессоры ARM, а также PowerPC, SPARC и многие другие. Популярнейшие процессоры Intel уже много лет основаны на RISC-ядре, начиная с 1990-х годов. Можно сказать, что технология RISC сегодня является доминирующей, хотя у нее существует множество вариантов реализации.

CISC-процессоры

Это более традиционный вид микропроцессоров, которые отличаются от предыдущих полным набором команд, отсюда и название: компьютер с полным набором команд (англ. complex instruction set computer). Такие процессоры не имеют фиксированной длины команды, а самих команд больше. CISC-процессорами были все процессоры архитектуры x86, которая доминирует в компьютерной индустрии уже не одно десятилетие, до появления Intel Pentium Pro, который впервые отошел от CISC-концепции и сегодня представляет собой гибрид – CISC-чипсет на базе RISC-ядра.

Классическая CISC-архитектура используется все реже из-за пониженной тактовой частоты и высокой стоимости сборки. Однако она по-прежнему востребована в серверах и рабочих станциях, то есть системах, стоимость которых менее критична по сравнению с чисто потребительскими устройствами.

ARM и x86

Как уже упоминалось, процессоры фирмы ARM используются в большинстве мобильных устройств, тогда как архитектура x86 давно господствует в настольных компьютерах и ноутбуках. Отчего такое разделение? Когда-то ARM-процессоры считались сугубо «телефонными» – это были очень маломощные чипы с невысокими возможностями, идеально «заточенные» под мобильную технику. Они не грелись, не требовали много энергии и умели делать то немногое, что нужно делать на телефоне или смартфоне.

С другой стороны, семейство x86, разработанное Intel, начиная с легендарного процессора Intel 8086 (откуда и пошло название) образца 1978 года, всегда было уделом компьютеров мощных, «настоящих». Куда уж до них ARM, говорили многие эксперты. Но времена меняются, и сегодня архитектуры ARM и x86 яростно конкурируют друг с другом во всей компьютерной индустрии, которая все больше зависит от мобильных технологий.

Сама компания ARM, в отличие от Intel, не производит процессоры, но лицензирует их сторонним производителям, среди которых практически все гранды: Apple, Samsung, IBM, NVIDIA, Nintendo, Qualcomm и даже, вот так ирония, Intel (и ее вечный конкурент AMD). Такой подход привел к тому, что ARM-процессоры буквально завалили рынок – сегодня их выпускается не один миллиард каждый год.

Поскольку сегодня все больше людей предпочитают планшеты традиционным компьютерам, продажи которых пошли на спад, сложилась ситуация, очень неприятная для Intel и AMD и немыслимая еще лет десять назад. Intel неожиданно оказалась в роли догоняющей и начала активно развивать собственные низковольтные решения, и не сказать, что совсем безуспешно – современные модели Intel Atom и Core M обладают вполне конкурентоспособными характеристиками по ряду параметров.

В новой для себя ситуации оказалось и сообщество разработчиков, которым пришлось быстро адаптироваться под требования рынка. Сначала интернет-революция привела к тому, что пользователи стали гораздо реже работать в традиционных программах на традиционном компьютере и чаще – в веб-браузере. Затем еще одна, мобильная революция породила новую реальность: массовый пользователь вообще отложил компьютеры и перешел на мобильные устройства, где работают в основном в мобильных приложениях. А мобильные приложения – это опять-таки ARM, с которой Intel пока не может совладать.

big.LITTLE

Одной из перспективных технологий ARM является big.LITTLE – технология оптимизации потребления энергии за счет объединения более высокопроизводительных ядер с менее производительными, но более энергоэффективными. Например, это может быть Cortex-A15 и Cortex-A7. Это как бы две передачи на автомобиле: когда нужно выполнить более сложную и ресурсоемкую задачу, включается более мощный чип, а для фоновых задач больше подходит более экономичный. В результате такого подхода последнее поколение платформы big.LITTLE позволяет снизить потребление энергии чипом на 75% и одновременно поднять производительность на 40%.

У big.LITTLE есть свои разновидности. Например, в 2013 году компания MediaTek представила платформу CorePilot на базе big.LITTLE, в которой впервые был реализован принцип разнородной (гетерогенной) множественной обработки данных (HMP). Специальное ПО автоматически распределяет рабочие потоки между разными ядрами исходя из их требований. Осуществляется интерактивное управление потреблением энергии и температурными режимами, а специальный алгоритм планировщика в сочетании с трехкластерной архитектурой позволяет еще больше снизить потребление энергии чипом.

Такую платформу иначе называют Device Fusion, и разработчики обещают внушительный, в разы, рост производительности при отсутствии дополнительного нагрева устройства. Облегчена и жизнь программистов, которых освободили от необходимости решать, для каких задач какие ядра использовать. Назначение ядер происходит в полностью автоматическом режиме. Технология, фактически, следит за тем, чтобы каждое ядро использовалось эффективно и не простаивало. Каждая задача исполняется на оптимальном ядре (или ядрах) либо центрального, либо графического процессора вне зависимости от архитектуры.

Почему кластерные архитектуры эффективнее?

Но тайваньская компания MediaTek – это не только CorePilot. Производитель произвел настоящий фурор со своей трехкластерной технологией Tri-Cluster. Чтобы понять, что это такое и как работает, вспомним, как работает процессор смартфона или планшета в самом общем случае.

Современный мобильный процессор, а также чипсет (окружающий его набор микросхем), состоит из нескольких ядер, число которых сегодня растет, как на дрожжах. Это позволяет распределить задачи между ядрами и таким образом выполнять несколько дел одновременно. Телефон пытается перераспределять нагрузку на ядра динамически, решая, какие ядра и когда использовать.

Но как происходит это распределение? Иногда – по решению разработчика ПО, иногда –полностью автоматически, и тут все зависит от алгоритмов, которые могут быть более или менее эффективны. В технологии big.LITTLE эту задачу выполняет специальный модуль – планировщик. Например, он может перенести выполнение какого-то процесса с одно ядра на другое, если первому не хватает производительности.

Технология big.LITTLE сделала большой шаг в сторону эффективности за счет двух процессорных кластеров – групп ядер (англ. cluster – скопление). Если нужно поиграть в трехмерную игру, включаем мощный кластер; если нужно, скажем, почитать книгу или вообще убрать телефон в карман, включается слабый кластер, направленный на максимальную экономию энергии. Вот почему кластерная архитектура столь перспективна. В традиционных однопроцессорных архитектурах, а также многопроцессорных однокластерных, нет такого пространства для маневра и такой гибкости при распределении нагрузок.

Три кластера против двух

Но и здесь возникла проблема: задачи средней сложности, наиболее распространенные на телефонах, часто направляются на кластер с мощными ядрами. Например, мы работаем с электронной почтой. Задача не ахти какая ресурсоемкая, но двухкластерная платформа может включить для нее мощный кластер. У нее просто нет выбора – кластера всего два, а никакой «золотой середины» нет. Результат – ускоренный расход энергии и нагрев устройства при отсутствии очевидных преимуществ для пользователя от быстрого кластера.

Именно эту задачу решает архитектура Tri-Cluster в сочетании с CorePilot 3.0. Она работает не с двумя, а с тремя кластерами, которые в ней получили названия минимум (Min), медиум (Med) и максимум (Max). Для большинства повседневных задач используется средний кластер – та самая золотая середина. Максимальный кластер включается относительно редко и только тогда, когда это действительно нужно: игры, обработка графики и т.д. Ну а сверхэкономичный кластер Min управляет фоновыми приложениями, сводя энергопотребление к минимуму.

Такой подход наиболее сбалансирован с точки зрения производительности и экономии. Мобильное устройство как бы получает третью передачу. В MediaTek даже говорят, что позаимствовали эту идею у автомобильной индустрии. В компании отмечают, что он позволяет сократить энергопотребление на треть и одновременно поднять производительность на 12–15% в зависимости от ресурсоемкости задачи.

Helio X20

Типичный образец технологий Tri-Cluster и CorePilot – новейший 20-нанометровый десятиядерный чип MediaTek Helio X20 на базе ARM Cortex. Кластер Max в нем представлен группой из двух ядер Cortex-A72 с тактовой частотой 2,5 ГГц, в Med работают четыре ядра Cortex-A53 с частотой 2 ГГц, ну а Mini выполнен в виде опять-таки четырех ядер Cortex-A53 на 1,4 ГГц. Helio X20 стал первым в мире мобильным процессором с технологией Tri-Cluster и десятью ядрами (Deca-core).

В MediaTek провели исследование, которое доказывает, что данный чип способен проработать на 30% дольше времени, чем аналоги с сопоставимыми характеристиками. Выполнялись тесты даже для конкретных сценариев. Например, при работе в Facebook удается снизить расход энергии на 17–40%, голосовое общение в Skype позволяет сэкономить 41%, работа Gmail – 41%, игра Temple Run – 17%. Самая впечатляющая экономия достигается в ситуации, когда телефон просто показывает домашний экран – 48%. В этой ситуации работает именно кластер Min, и энергопотребление составляет всего 0,026 Вт.

Если верить тайваньскому ресурсу DigiTimes, производители мобильной техники буквально выстраиваются в очередь за новейшим чипом Helio X20. Летом этого года ресурс писал, что чип планируют использовать , HTC, Sony, Lenovo, Huawei, Xiaomi и ZTE. Новый чип оказался на 40% быстрее и на столько же экономичнее предыдущей модели семейства, X10. Первые устройства с таким процессором появятся на рынке в начале 2016 года, поэтому пока придется запастись терпением.

Возможности трехкластерных SoC-процессоров MediaTek

Процессоры MediaTek относятся к классу SoC, то есть таких, в которых на одной кремниевой пластинке собран целый мини-завод. Тут и память, и графика, и камера с видеокодеками, и контроллеры дисплея, модема и других интерфейсов. Некоторые особенности чипсета выглядят следующим образом:

• Универсальный модем WorldMode LTE Cat-6 от MediaTek поддерживает LTE и одновременно допускает агрегацию частот, что позволяет использовать его практически в любой сети.
• Новейший видеочип ARM Mali обеспечивает высочайшую производительность графики в двумерном и трехмерном режимах.
• Дополнительный встроенный процессор Cortex-M4 работает в фоновом режиме с крайне низким энергопотреблением, обеспечивая работу фоновых приложений.
• Контроллер двух камер со встроенным 3D-движком не только быстро работает, но и эффективно генерирует сложные объемные изображения, а встроенная технология шумоподавления доводит картинку до практически идеальной.
• Дисплей может работать с частотой обновления 120 Гц вместо стандартных 60 Гц, что дает изумительно четкое изображение и отзывчивый интерфейс.

Процессор комплектуется новейшим видеочипом ARM Mali-T800, который, помимо прочего, обеспечивает работу дисплеев высокой четкости вплоть до WQXGA на частоте до 120 Гц. Другими словами, устройство можно комплектовать дисплеем разрешением вплоть до 2560×1600 пикселов.

Весьма впечатляет реализация камеры: скорость декодирования получаемого изображения может доходить до 30 кадров в секунду при разрешении 25 мегапикселов (либо 24 к/с при 32 Мп), при этом встроенный чип сразу же, на лету, осуществляет одновременно шумоподавление, повышение четкости и 3D-конверсию. При воспроизведении видео поддерживается 10-битная глубина цвета и кодеки VP9 HW и HEVC.

Встроенный модем Helio X20 поддерживает большой арсенал мобильных сетей, такие как LTE FDD/TDD R11 Cat-6 (до 300 Мбит/с), CDMA2000 1x/EVDO Rev.A. Здесь же есть Wi-Fi 802.11ac, Bluetooth, GPS, российская система навигации ГЛОНАСС и даже китайская BeiDou.

Независимые тесты Helio X20, в частности GeekBench 3, показывают явное превосходство по сравнению с предыдущей и тоже очень популярной моделью X10. В тесте AnTuTu результат X20 на 40% выше, чем у X10, что в целом подтверждает внутренние тесты MediaTek. Helio X20 также явно превосходит чип Exynos 7420.

Helio X20 – процессор очень новый, поставки начались совсем недавно, но уже известны некоторые подробности об устройствах, которые его получат. Так, Acer будет устанавливать его на свой флагманский планшетофон Predator 6. Целых 4 гигабайта оперативной памяти, дисплей Full HD, 4 динамика, аккумулятор на 4000 мА*ч, необычный агрессивный дизайн – не смартфон, а зверь! Другая ожидаемая новинка с этим чипом – новый флагман HTC One A9, в котором незадачливый тайваньский производитель постарается исправить провал модели One M9. 2016 год обещает быть очень интересным.

MediaTek вокруг нас

Мы начинали с того, что микропроцессоры сегодня окружают нас повсюду, как воздух, и продукция MediaTek в полной мере подтверждает этот тезис. Вообще, диапазон интересов тайваньцев поражает: Интернет вещей , нательная электроника, медицинские устройства, навигация, автономные автомобили и вездеходы, умный дом , умный город, дистанционное управление приборами, 3D-печать и даже домашнее виноделие. Вот лишь часть сфер, в которых MediaTek совместно с партнерами выпускает специализированные чипсеты.

Некоторые из них очень оригинальны. Например, энтузиастам всех мастей понравится миниатюрная копия марсохода Curiosity, напичканная очень серьезными технологиями: камерой с собственным Wi-Fi-роутером и сервером для отправки изображения, шестью колесами (все – ведущие), манипулятором с тремя степенями свободы. Таким вездеходом можно управлять по Bluetooth, он может двигаться со скоростью до 3 км/ч, разворачиваться в любом месте и вести видеосъемку с непрерывной трансляцией сигнала.

Другой пример использования процессоров MediaTek – компактный домашний 3D-принтер со скоростью печати 150 мм в секунду при точности 0,01 мм. Такой принтер поддерживает больше 10 различных материалов, может печатать объекты диаметром 180 мм и высотой 200 мм и работать без остановки до 36 часов. Здесь используется микросхема MediaTek LinkIt ONE. Такой принтер очень доступен, легок и помещается на стол.

Еще больше поражает воображение Smart Brewer – целая домашняя система для виноделия. Если при этих словах вы представили себе систему из чанов, с трудом помещающуюся на кухне, то зря: речь идет о компактном стакане с насадкой и трубкой, которая благодаря той же микросхеме LinkIt ONE полностью управляет всем процессом брожения, при этом контролировать процесс можно со смартфона через Bluetooth. Это настоящая винная бочка XXI века!

Многие изобретения, возможные благодаря полупроводниковым решениям MediaTek, еще ждут своих инноваторов и разработчиков. Кстати, MediaTek очень любит разработчиков и старается сотрудничать с ними как можно плотнее. Для этой цели был создан сайт MediaTek Labs (labs.mediatek.com) – онлайн-площадка, на которой начинающие (и не только) разработчики могут получить все необходимое для создания гаджетов в категориях нательной техники и Интернета вещей . Интересные проекты будут поощряться и развиваться совместно с компанией. Менее чем за год существования в Labs зарегистрировалось больше 6000 участников, из которых русскоязычных больше 16%. И это только начало!

Антон Чивчалов

Архитектура процессора

Вопрос: Архитектура процессора - что это?
Ответ : Термин «архитектура процессора» в настоящее время не имеет однозначного толкования. С точки зрения программистов, под архитектурой процессора подразумевается его способность исполнять определенный набор машинных кодов. Большинство современных десктопных CPU относятся к семейству x86, или Intel-совместимых процессоров архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). Ее основа была заложена компанией Intel в процессоре i80386, однако в последующих поколениях процессоров она была дополнена и расширена как самой Intel (введены новые наборы команд MMX, SSE, SSE2 и SSE3), так и сторонними производителями (наборы команд EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow!, разработанные компанией AMD). Однако разработчики компьютерного железа вкладывают в понятие «архитектура процессора» (иногда, чтобы окончательно не запутаться, используется термин «микроархитектура») несколько иной смысл. С их точки зрения, архитектура процессора отражает основные принципы внутренней организации конкретных семейств процессоров. Например, архитектура процессоров Intel Pentium обозначалась как Р5, процессоров Pentium II и Pentium III - Р6, а популярные в недавнем прошлом Pentium 4 относились к архитектуре NetBurst. После того, как компания Intel закрыла архитектуру Р5 для сторонних производителей, ее основной конкурент - компания AMD была вынуждена разработать собственную архитектуру - К7 для процессоров Athlon и Athlon XP, и К8 для Athlon 64.

Вопрос: Какие процессоры лучше, 64-битные или 32-битные? И почему?
Ответ : Достаточно удачное 64-битное расширение классической 32-битной архитектуры IA32 было предложено в 2002 году компанией AMD (первоначально называлось x86-64, сейчас - AMD64) в процессорах семейства К8. Спустя некоторое время компанией Intel было предложено собственное обозначение - EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Но, независимо от названия, суть новой архитектуры одна и та же: разрядность основных внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Кроме того, за счет расширения разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти существенно увеличился.

И… все. Так что те, кто ожидает от 64-битных CPU сколь-нибудь существенного прироста производительности, будут разочарованы - их производительность в подавляющем большинстве современных приложений (которые в массе своей заточены под IA32 и вряд ли в обозримом будущем будут перекомпилированы под AMD64/EM64T) практически та же, что и у старых добрых 32-битных процессоров. Весь потенциал 64-битной архитектуры может раскрыться лишь в отдаленном будущем, когда в массовых количествах появятся (а может, и не появятся) приложения, оптимизированные под новую архитектуру. В любом случае, наиболее эффективен переход на 64-бита будет для программ, работающих с базами данных, программ класса CAD/CAE, а также программ для работы с цифровым контентом.

Вопрос: Что такое процессорное ядро?
Ответ : В рамках одной и той же архитектуры различные процессоры могут достаточно сильно отличаться друг от друга. И различия эти воплощаются в разнообразных процессорных ядрах, обладающих определенным набором строго обусловленных характеристик. Чаще всего эти отличия воплощаются в различных частотах системной шины (FSB), размерах кэша второго уровня, поддержке тех или иных новых систем команд или технологических процессах, по которым изготавливаются процессоры. Нередко смена ядра в одном и том же семействе процессоров влечет за собой замену процессорного разъема, из чего вытекают вопросы дальнейшей совместимости материнских плат. Однако в процессе совершенствования ядра, производителям приходится вносить в него незначительные изменения, которые не могут претендовать на «имя собственное». Такие изменения называются ревизиями ядра и, чаще всего, обозначаются цифробуквенными комбинациями. Однако в новых ревизиях одного и того же ядра могут встречаться достаточно заметные нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии.

Вопрос: В чем заключается преимущество двухъядерных процессоров перед одноядерными?
Ответ : Самым значимым событием 2005 года стало появление двухъядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные CPU практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты. Камнем преткновения стало не только слишком высокое тепловыделение процессоров, работающих на высоких частотах, но и проблемы с их стабильностью. Так что экстенсивный путь развития процессоров на ближайшие годы был заказан, и их производителям волей-неволей пришлось осваивать новый, интенсивный путь повышения производительности продукции. Самой расторопной на рынке десктопных CPU, как всегда, оказалась Intel, первой анонсировавшая двухъядерные процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Впрочем, AMD с Athlon64 X2 отстала от конкурента буквально на считанные дни. Несомненным достоинством двухъядерников первого поколения, к которым относятся вышеназванные процессоры, является их полная совместимость с существующими системными платами (естественно, достаточно современными, на которых придется только обновить BIOS). Второе поколение двухъядерных процессоров, в частности, Intel Core 2 Duo, «требует» специально разработанных для них чипсетов и со старыми материнскими платами не работает.

Не следует забывать, что, на сегодняшний день для работы с двухъядерными процессорами более или менее оптимизировано в основном только профессиональное ПО (включая работу c графикой, аудио- и видео данными), тогда как для офисного или домашнего пользователя второе процессорное ядро иногда приносит пользу, но гораздо чаще является мертвым грузом. Польза от двухъядерных процессоров в этом случае видна невооруженным взглядом только тогда, когда на компьютере запущены какие-либо фоновые задачи (проверка на вирусы, программный файервол и т.п.). Что касается прироста производительности в существующих играх, то он минимальный, хотя уже появились первые игры популярных жанров, полноценно использующие преимущества от использования второго ядра.

Впрочем, если сегодня стоит вопрос выбора процессора для игрового ПК среднего или верхнего ценового диапазона, то, в любом случае, лучше предпочесть двухъядерный, а то и 4-ядерный процессор чуть более высокочастотному одноядерному аналогу, так как рынок неуклонно движется в сторону мультиядерных систем и оптимизированных параллельных вычислений. Такая тенденция будет господствующей в ближайшие годы, так что доля ПО, оптимизированного под несколько ядер, будет неуклонно возрастать, и очень скоро может наступить момент, когда мультиядерность станет насущной необходимостью.

Вопрос: Что такое кэш?
Ответ : Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.

При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему кэш первого уровня (обозначаемый как L1), с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2, который, как правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд и кэш данных. Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров, также порой обзаводятся кэшем третьего уровня L3. Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.

Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не эксклюзивный кэш. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не эксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.

Вопрос: Что такое процессорная шина?
Ответ : Процессорная (иначе - системная) шина, которую чаще всего называют FSB (Front Side Bus), представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Таким образом, FSB выступает в качестве магистрального канала между процессором (или процессорами) и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Непосредственно к системной шине подключен только CPU, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в северном мосте набора системной логики (чипсета) материнской платы. Хотя могут быть и исключения - так, в процессорах AMD семейства К8 контроллер памяти интегрирован непосредственно в процессор, обеспечивая, тем самым, гораздо более эффективный интерфейс память-CPU, чем решения от Intel, сохраняющие верность классическим канонам организации внешнего интерфейса процессора. Основные параметры FSB некоторых процессоров приведены в табл

Процессор	частота FSB, МГц	Тип FSB	Теоретическая пропускная способность FSB, Мб/с
Intel Pentium III	100/133	AGTL+	800/1066
Intel Pentium 4	100/133/200	QPB	3200/4266/6400
Intel Pentium D	133/200	QPB	4266/6400
Intel Pentium 4 EE	200/266	QPB	6400/8533
Intel Core	133/166	QPB	4266/5333
Intel Core 2	200/266	QPB	6400/8533
AMD Athlon	100/133	EV6	1600/2133
AMD Athlon XP	133/166/200	EV6	2133/2666/3200
AMD Sempron		HyperTransport	<6400
AMD Athlon 64	800/1000	HyperTransport	6400/8000

Процессоры компании Intel используют системную шину QPB (Quad Pumped Bus), передающую данные четыре раза за такт, тогда как системная шина EV6 процессоров AMD Athlon и Athlon XP передает данные два раза за такт (Double Data Rate). В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в процессорах линеек Athlon 64/FX/Opteron, применен новый подход к организации интерфейса CPU - здесь вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются: высокоскоростная последовательная (пакетная) шина HyperTransport, построенная по схеме Peer-to-Peer (точка-точка), обеспечивающая высокую скорость обмена данными при сравнительно низкой латентности.

И наконец-то конкретика!

Процессы первого поколения этого семейства (Intel Pentium III 450 и Intel Pentium III 500) были анонсированы Intel в конце февраля 1999 года и имели следующие характеристики:

· технология производства: 0,25 мкм;

· ядро процессора: Katmai, разработанное на основе Deschutes (поздняя версия ядра процессоров Intel Pentium II) с добавленным SSE-конвейером для обработки 70 новых SSE-инструкций;

· L1-кэш: объем - 32 Кбайт (16 Кбайт для данных плюс 16 Кбайт для инструкций);

· L2-кэш: объем - 512 Кбайт, тактовая частота - половина тактовой частоты ядра, внешний (не интегрирован на одном кристалле с процессором, а выполнен на отдельных микросхемах, которые расположены на той же печатной плате, что и микросхема процессора), поддерживает ECC-механизм обнаружения и коррекции ошибок при обмене данными с ядром процессора; в терминологии Intel такой L2-кэш называют Discrete Cache;

· частота системной шины: 100 МГц, поддерживается ECC;

· напряжение питания ядра процессора: 2,0 В;

· многопроцессорность: поддерживается до двух процессоров на одной системной шине;

· идентификация: каждый процессор имеет уникальный 96-битный серийный номер, «прошитый» в нем во время изготовления, который может быть считан программными средствами;

· в случае нежелания пользователя «разглашать» серийный номер своего процессора возможность считывания его серийного номера может быть заблокирована на уровне BIOS с помощью программы настройки BIOS материнской платы или же утилиты Processor Serial Number Control Utility физический разъем: Slot 1;

· исполнение: S.E.C.C.- или S.E.C.C.2-картридж.