Архiтектура комп'ютерiв, мiкропроцесори
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
Контрольна робота
№ 1 з дисциплiни
«Архiтектура комп'ютерiв»
(варiант №7)
Студента групи ПЗС-405
Івасюка Андрiя Михайловича
м. Бердичiв, 2006 р.
Змiст
1. Структурна систематика архiтектури Р. Хокнi та К. Джессхоупа
3. Набори мiкросхем системної логiки процесорiв Pentium II/III
4. Суперскалярний мiкропроцесор та конвеєри виконання команд
Список використаної лiтератури
На першому рiвнi всi обчислювальнi системи подiляють за принципом множинностi (кiлькостi) на одно-комп’ютернi та багато комп’ютернi. Обчислювальнi системи з одним комп’ютером, у свою чергу, подiляються на ЕОМ з одним конвеєрним МП та з багатьма МП.
Першi з них є традицiйними послiдовними комп’ютерами, а другi утворюють клас паралельних комп’ютерiв, якi подiляють на конвеєрнi, не конвеєрнi та мiкропроцесорнi матрицi.
Прикладом однiєї з перших не конвеєрних обчислювальних машин з паралелiзмом е комп’ютер СБС-6600, побудований на основi декiлькох скалярних процесорiв.
Конвеєрнi ЕОМ подiляються на такi, що виконують тiльки скалярнi команди, наприклад комп’ютери СБС-7800, РРС АР-120В, i такi, що виконують векторнi команди. Комп’ютери, що використовують векторнi команди, подiляють, у свою чергу, на комп’ютери iз спецiалiзованим конвеєром, наприклад СКАУ-1, та з унiверсальним конвеєром - комп’ютер СУВЕК 205.
Комп’ютери а класу машин з матрицею процесорiв подiляють за зв’язанiстю процесорiв в матрицi, розряднiстю тощо.
За призначенням комп’ютери подiляють на двi основнi групи:
Сучасний PC є i простим i складним. Вiн став простiше, оскiльки за минулi роки багато компонентiв, що використовуються для збiрки системи, були iнтегровано з iншими компонентами i тому кiлькiсть елементiв зменшилася. Вiн став складнiше, оскiльки кожна частина сучасної системи виконує набагато бiльше функцiй, нiж тi ж частини в старiших системах.
Нижче перерахованi всi компоненти, якi повинен мiстити сучасний PC.
2. Технологiя SMM, SSE
Задавшись метою створення все бiльш швидких i могутнiх процесорiв для портативних комп'ютерiв, Intel розробила схему управлiння живленням. Ця схема дає можливiсть процесорам економно використати енергiю батареї i таким чином продовжити термiн її служби. Intel вперше реалiзувала таку можливiсть в процесорi 486SL, який є вдосконаленою версiєю процесора 486DX. Згодом, коли можливостi управлiння живленням стали бiльш унiверсальними, їх почали вбудовувати в Pentium i у всi процесори пiзнiших поколiнь. Система управлiння живленням процесорiв називається SMM (System Management Mode — режим управлiння системою).
SMM фiзично iнтегрована в процесор, але функцiонує незалежно. Завдяки цьому вона може управляти споживанням потужностi, залежно вiд рiвня активностi процесора. Це дозволяє користувачу визначати iнтервали часу, пiсля закiнчення яких процесор буде частковий або повнiстю вимкнений. Дана схема також пiдтримує можливiсть припинення/вiдновлення, яка дозволяє миттєво включати i вiдключати потужнiсть, що звичайно використовується в портативних комп'ютерах. Вiдповiднi параметри встановлюються в BIOS. У лютому 1999 року Intel представила громадськостi процесор Pentium III, що мiстить оновлення технологiї ММХ, що одержала назву SSE (Streaming SIMD Extensions — потоковi розширення SIMD). До цього моменту iнструкцiї SSE носили iм'я Katmai New Instructions (KNI), оскiльки спочатку вони були включенi в процесор Pentium III з кодовим iм'ям Katmai. Процесори Celeron 533A i вище, створенi на основi ядра Pentium III, теж пiдтримують iнструкцiї SSE. Ранiшi версiї процесора Pentium II, рiвно як Celeron 533 i нижче (створенi на основi ядра Pentium II), SSE не пiдтримують.
Інструкцiї SSE мiстять 70 нових команд для роботи з графiкою i звуком на додаток до iснуючих команд ММХ. Фактично цей набiр iнструкцiй окрiм назви KNI мав ще i другу назву — ММХ-2. Інструкцiї SSE дозволяють виконувати операцiї з плаваючою комою, реалiзовуванi в окремому модулi процесора. У технологiях ММХ для цих цiлей використовувався стандартний пристрiй з плаваючою комою.
SSE iм'ям Katmai. Процесори Celeron 533A i вище, створенi на основi ядра Pentium III, теж пiдтримують iнструкцiї SSE. Ранiшi версiї процесора Pentium II, рiвно як Celeron 533 i нижче (створенi на основi ядра Pentium II), SSE не пiдтримують.
Інструкцiї SSE мiстять 70 нових команд для роботи з графiкою i звуком на додаток до iснуючих команд ММХ. Фактично цей набiр iнструкцiй окрiм назви KNI мав ще i другу назву — ММХ-2. Інструкцiї SSE дозволяють виконувати операцiї з плаваючою комою, реалiзовуванi в окремому модулi процесора. У технологiях ММХ для цих цiлей використовувався стандартний пристрiй з плаваючою комою.
Інструкцiї SSE2, що мiстять в собi 144 додатковi команди SIMD, були представленi в листопадi 2000 року разом з процесором Pentium 4. У SSE2 були включенi всi iнструкцiї попереднiх наборiв ММХ i SSE.
працювати з тривимiрною графiкою, потоками аудiо- i вiдеоданих (DVD-вiдтворення), а також додатками розпiзнавання мови. В цiлому SSE забезпечує наступнi переваги:
• вищий дозвiл/якiсть при переглядi i обробцi графiчних зображень;
• полiпшена якiсть вiдтворення звукових i вiдеофайлiв у форматi MPEG2, а також одночасне кодування i декодування формату MPEG2 в мультимедiйних додатках;
Інструкцiї SSE i SSE2 особливо ефективнi при декодуваннi файлiв формату MPEG2, який є стандартом стиснення звукових i вiдеоданих, використовуваним в DVD-дисках. Отже, SSE-оснащенi процесори дозволяють досягти максимальної швидкостi декодування MPEG2 без використовування додаткових апаратних засобiв (наприклад, платня декодера MPEG2). Крiм того, процесори, що мiстять набiр iнструкцiй SSE, значно перевершують попереднi версiї процесорiв при розпiзнаваннi мови.
вiдразу декiлька операцiй при отриманнi процесором однiєї команди. Зокрема, SSE пiдтримує виконання до чотирьох операцiй з плаваючою комою за цикл; одна iнструкцiя може одночасно обробляти чотири блоки даних. Для виконання операцiй з плаваючою комою iнструкцiї SSE можуть використовуватися разом з командами ММХ без помiтного зниження швидкодiї. SSE також пiдтримує
prefetching
),
що займаються розробкою програмного забезпечення, модифiкувала додатки, пов'язанi з обробкою графiки i звуку, що дозволило бiльш повно використовувати можливостi SSE. Наприклад, графiчний додаток Adobe Photoshop пiдтримує iнструкцiї SSE, що значно пiдвищує ефективнiсть використовування SSE-оснащених процесорiв. Пiдтримка iнструкцiй SSE вбудована в DirectX 6. 1 i в самi останнi вiдео- i аудiодрайвери, що поставляються з операцiйними системами Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4. 0 (з пакетом оновлення 5 або пiзнiшим) i Windows 2000.
Інструкцiї SSE є розширенням технологiй ММХ, а SSE2 — розширенням iнструкцiй SSE. Таким чином, процесори, що пiдтримують SSE2, пiдтримують також iнструкцiї SSE, а процесори, що пiдтримують iнструкцiї SSE, у свою чергу, пiдтримують оригiнальнi команди ММХ. Це означає, що стандартнi ММХ – додатки можуть виконуватися практично на будь-яких системах.
3. Набори мiкросхем системної логiки процесорiв Pentium II/III
i набори мiкросхем з тактовою частотою 100 Мгц, використовуючи технологiю подвiйної передачi даних. Це дозволило збiльшити швидкiсть передачi даних мiж процесором Athlon i основним набором мiкросхем North Bridge до 200 Мгц.
До 2001 року швидкодiя шин процесорiв AMD Athlon i Intel Itanium збiльшилася до 266 Мгц, а шини процесора Pentium 4 — до 400 Мгц.
У сучасних комп’ютерах використовується генератор змiнної частоти, звичайно розташований на системнiй плати; вiн генерує опорну частоту для системної плати i процесора. На бiльшостi системних плат процесорiв Pentium можна встановити одне з трьох або чотирьох значень тактової частоти. Сьогоднi випускається безлiч версiй процесорiв, що працюють на рiзних частотах, залежно вiд тактової частоти конкретної системної плати. У додаткуприведенi тактовi частоти процесорiв Pentium i системної плати до них.
У деяких системах можна встановити велику робочу частоту процесора; це називається розгоном (overclocking). Пiсля установки великих значень частоти процесора збiльшується i його швидкодiя. Практично всi типи процесорiв мають так званий "технологiчний запас" безпечного збiльшення тактової частоти. Наприклад, процесор 800 Мгц може працювати на частотi 900 Мгц i вище. Слiд зазначити, що при розгонi процесора знижується стiйкiсть його роботи.
Звичайно допускається 10-20 процентне збiльшення частоти системної шини без наслiдкiв для процесора, тобто таке збiльшення не позначається на стабiльностi роботи системи. В майбутньому набори мiкросхем системної логiки будуть здатнi органiзувати роботу чотирьох або бiльшої кiлькостi процесорiв Pentium II в єдинiй багатопроцесорнiй системi, перш за все для використовування як файл-сервер. Є версiї Pentium II з кодами корекцiї помилок (Error Correction Code — ЕСC) на шинi кеша другого рiвня (L2). Вони розробленi спецiально для серверiв або iнших систем, що виконують життєво важливi задачi, в яких велику роль грає надiйнiсть i цiлiснiсть даних. У всiх процесорах Pentium II сигнали запиту i видачi адреси на шину захищенi контролем парностi i, крiм того, передбачений механiзм повторення для пiдвищення цiлiсностi i надiйностi даних. Для установки Pentium II в систему iснує спецiальне крiплення. Процесор встановлюється в Slot 1 на системнiй платнi так, щоб бути захищеним вiд пошкоджень в результатi вiбрацiй i поштовхiв. Крiплення розробляються виготiвниками системної платнi. В мiкросхемi Pentium напруга живлення, що використовується цими мiкросхемами, — 3,3 В i нижче. Струм, споживаний процесором з тактовою частотою 100 Мгц, рiвний 3,25 А, що вiдповiдає споживанiй потужностi 10,725 Вт. Менш швидкодiйний процесор з тактовою частотою 90 Мгц споживає струм 2,95 А, що вiдповiдає споживанiй потужностi 9,735 Вт. Процесор з тактовою частотою 150 Мгц споживає струм не бiльше 3 А при напрузi 3,3 В (потужнiсть 11,6 Вт); процесор з тактовою частотою 166 Мгц — 4,4 А (14,5 Вт), а процесор на 200 Мгц — 4,7 А (15,5 Вт). Процесори випускаються в 296-контактному корпусi SPGA, який не сумiсний з корпусом процесора першого поколiння. Перейти вiд мiкросхем першого поколiння до мiкросхем другого поколiння можна тiльки одним способом — замiнити системну платню. На кристалi процесора Pentium другого поколiння розташовується 3,3 млн транзисторiв, тобто бiльше, нiж у перших мiкросхем. Деякi мiкросхеми Pentium працюватимуть тiльки при певних комбiнацiях цих висновкiв або, можливо, при їх установцi в якому-небудь одному положеннi. Багато новiтньої системної платнi мають перемички або перемикачi, що дозволяють регулювати контакти BF i тим самим змiнювати вiдношення кратностi множення тактової частоти в процесорi. Деякi користувачi “примушують” процесори Pentium на 75 Мгц працювати на частотi 133 Мгц. Pentium II/III i Athlon кеш-пам'ять другого рiвня є частиною процесора. Звичайно ж, вiн зовнiшнiй по вiдношенню до кристала центрального процесора, просто ця окрема мiкросхема встановлюється усерединi корпусу (картрiджа) процесора. Тому на системнiй платиi для процесорiв Pentium Pro або Pentium II немає нiякого кеша. В останнiх моделях процесорiв Pentium III кеш-пам'ять другого рiвня є частиною мiкросхеми процесора (подiбно кеш-пам'ятi першого рiвня) i працює на бiльш високих частотах (на частотi процесора, половиннiй або третини). В процесорах Itanium для збiльшення продуктивностi використовується три рiвнi кеш-пам'ятi.
4. Суперскалярний мiкропроцесор та конвеєри виконання команд
виконувати тiльки одну команду. Технологiя одночасного виконання декiлькох команд називається суперскалярною. Завдяки використовуванню даної технологiї i забезпечується додаткова ефективнiсть в порiвняннi з процесором 486.
Суперскалярна архiтектура звичайно асоцiюється з мiкросхемами RISC (Reduced Instruction Set Computer — комп'ютер iз спрощеною системою команд). Процесор Pentium — одна з перших мiкросхем CISC (Complex Instruction Set Computer — комп'ютер з складною системою команд), в якiй застосовується суперскалярна технологiя, реалiзована у всiх процесорах п'ятого i подальших поколiнь.
Розглянемо на прикладi установки електричної лампочки iнструкцiї CISC.
2. Вставте її в патрон.
3. Обертайте повнiстю.
1. Пiднесiть руку до лампочки.
2. Вiзьмiть лампочку.
3. Пiднiмiть руку до патрона.
4. Вставте лампочку в патрон.
5. Повернiть її.
7. Кiнець.
Багато iнструкцiй RISC є досить простими (або скороченими), тому для виконання якої-небудь операцiї потрiбно бiльше число подiбних iнструкцiй. Їх основна перевага полягає у тому, що процесор виконує менше операцiй, що, як правило, зменшує час виконання окремих команд i, вiдповiдно, всiєї задачi (програми). Можна довго сперечатися про те, що ж насправдi краще — RISC або CISC, хоча, якщо говорити чесно, такого поняття, як "чиста" мiкросхема RISC або CISC, не iснує. Подiбна класифiкацiя не бiльше нiж питання термiнологiї.
Процесори Intel i сумiснi з ними процесори можна визначити, як мiкросхеми CISC. Не дивлячись на це, процесори п'ятого i шостого поколiння володiють рiзними атрибутами RISC i розбивають пiд час роботи команди CISC на простiшi iнструкцiї RISC. Суперскалярна архiтектура дозволяє обробляти одночасно до 32 iнструкцiй (що знаходяться на рiзних етапах обробки). Для прогнозу розгалужень використовується спецiальний блок — обробник логiчних умов (branch unit). У процесорах Pentium шина даних 64-розрядна, а регiстри 32-розряднi. Така побудова на перший погляд здається дивною, якщо не враховувати, що в цьому процесорi для обробки iнформацiї служать два 32-розряднi паралельнi конвейєри. Pentium багато в чому подiбний двом 32-розрядним процесорам, об'єднаним в одному корпусi, а 64-розрядна шина даних дозволяє швидше заповнити робочi регiстри. Архiтектура процесора з декiлькома конвейєрами називається суперскалярною. Суперскалярна архiтектура – в неї є два конвейєри для паралельного виконання декiлькох команд. І прогноз переходiв. З високою точнiстю прогнозується, якi наступнi команди будуть виконаннi. Попереджуюче виконання. Дозволяє рацiонально використовувати конвеєри; завдяки цьому засобу конвеєри безперервно, без зупинки, виконують команди (навiть пiсля команд галуження). Засоби переупорядковування команд. Допускають змiну порядку виконання команд в конвейєрi, завдяки чому економиться час, оскiльки не уривається потiк команд програми. В процесорi 6x86 передбачено два кешi: двох портовий з'єднаний (унiверсальний) кеш мiсткiстю 16 Кбайт i 256-байтовий кеш команд. З'єднаний кеш доповнений маленьким (мiсткiстю в четверть кiлобайта) швидкодiйним асоцiативним кешем команд. В процесорi 6x86MX в чотири рази збiльшений розмiр внутрiшнього кеша (тобто його об'єм рiвний 64 Кбайт), що значно пiдвищило його ефективнiсть. В систему команд процесора 6x86MX входить 57 команд MMX, завдяки яким швидшає виконання деяких циклiв з великим об'ємом обчислень в мережних i мультимедiйних додатках. Всi процесори 6x86 пiдтримують режим System Management Mode (SMM). Це означає, що передбачено переривання, яке може використовуватися для управлiння живленням системи або емуляцiї периферiйних пристроїв уведення-виведення, прозорої для програмного забезпечення. Крiм того, в 6x86 пiдтримується апаратний iнтерфейс, що дозволяє перевести центральний процесор в режим припинення, в якому вiн споживає менше енергiї.
1. Тулi М., Справочний посiбник по цифровiй технiцi: М.: Энергоатомiздат, 1990.
2. Срiбнер Л. А. Програмуючi пристрої автоматики: - К.: Технiка, 1984
3. Буреев Л. Н. Найпростiша мiкро-ЕВМ: -М.; Енергоатомiздат, 1989.
4. Конспект лекцiй.
| 
