22986

Поняття про RISC-процесори. Процесори п’ятого та шостого поколінь

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Процесори пятого та шостого поколінь Поняття про RISCпроцесори Якісний стрибок у розвитку мікропроцесорних систем відбувся з появою мікропроцесора 8086. Такі процесори і компютери дістали назву RISC процесорів та RISC компютерів на відміну від процесорів та компютерів зі складною системою команд Complex Instruction Set Computer CISC компютер. Перший €œсправжній€ RISC компютер було створено наприкінці 70х років в університеті Берклі.

Украинкский

2013-08-04

6.22 MB

12 чел.

Лекція №20

Поняття про RISC-процесори.

Процесори пятого та шостого поколінь

Поняття про RISC-процесори

Якісний стрибок у розвитку мікропроцесорних систем відбувся з появою мікропроцесора 8086. Але за цей прогрес було сплачено ціною збільшення кількості команд, ускладненням системи адресації і, в цілому, значним ускладненням програмування. Подальше удосконалення мікропроцесорів і створення таких процесорів як 80286,80386, 80486 ще збільшило труднощі роботи з цими процесорами.

Тоді ж було встановлено, що далеко не всі команди застосовуються однаково часто. Лише невелика частина команд охоче використовувалась програмістами (біля 20%), тоді як решта (80%) застосовувалась вельми зрідка. З цієї причини ще наприкінці 70-х років була висунута “революційна” пропозиція - скоротити список команд процесора, обмежившись лише найнеобхіднішими. А більш складні операції виконувати за допомогою цих простих команд. Так виник новий напрямок в архітектурі мікропроцесорних систем - Reduced Instruction Set Computer, себто комп’ютер зі скороченим комплектом команд. Такі процесори і комп’ютери дістали назву  RISC - процесорів та RISC - комп’ютерів на відміну від процесорів та комп’ютерів зі складною системою команд   Complex Instruction Set Computer ( CISC - комп’ютер).

 Перший “справжній” RISC - комп’ютер було створено наприкінці 70-х років в університеті Берклі. Він обходився 31 командою. Всередині 80-х років зявилися вже RISC-процесори другого покоління з 75 командами. Але це було все ж значно менш, аніж у сучасного їм процесора 80386, у якого список команд складав кілька сотень.

Перелічимо основні ознаки за якими RISC-процесори відрізняються від СISC-процесорів:

Скорочений (порядку 100) набір команд замість кількох сотень у СISC-процесорів. Команди мають простий, чітко визначений формат і передбачають небагато методів адресації;

Завдяки широко застосованій ковеєризації команд процесор видає кожного такту принаймі одну виконану команду. Для цього застосовуються конвеєрні лінії з жорсткою логікою, які при своєму функціонуванні не потребують керування мікрокомандами;

Всі  команди обробки даних працюють лише зі вмістом робочих регістрів, котрі завантажуються конвеєрним методом. Для цього робиться велика кількість робочих регістрів: 32, 64, навіть 128, а також містка багаторівнева кеш-память;

Застосовується метод динамічного виконання (оптимізуючої компіляції).

 Сучасні RISC-процесори відносяться до групи суперскалярних процесорів. Нагадаємо, що векторним процесорами звуться процесори, які виконують багато команд паралельно і одночасно. Звичайно вони являють собою багатопроцесорні системи.

Скалярні процесори обслуговують команди послідовно, одну за одною. Суперскалярні процесори, які вважаються підкласом скалярних, обробляють по кілька команд одночасно упаралель у декількох своїх внутрішніх конвеєрах.

Спочатку СISC і RISC-процесори сильно відрізнялися між собою. Але згодом вони починають зближатися, запозичуючи один від одного деякі елементи. Останнім “чистим” СISC-процесорoм був 80386-й. У 80486-ого вже є декілька запозичень від RISC-процесорів: конвеєрні лінії, внутрішній та зовнішній кеш, Ще більш таких запозичень є у Pentium-i та y процесорів шостого покоління.

 Особливості архітектури сучасних RISC-процесорів можна простежити на прикладі блок-схеми RISC-процесора третього покоління Alpha 21164 фірми DEC (рис.20.1).

Як видно, архітектура цього процесора зовсім не схожа на архітектуру розглянутих нами раніш процесорів Intel-лінії.

Особливостями цього процесора є:

наявність кеш-памяті трьох рівнів - дві внутрішніх (окремо для команд і для даних) та одна зовнішня;

замість АЛП, що керується мікрокомандами, у даного процесора є набір конвеєрів з жорсткою логікою. Ці конвеєри вузько спеціалізовані (наприклад, існують для додавання або віднімання цілих чисел або чисел з плаваючою точкою, для операцій зсуву, операцій розгалуження, тощо).

Перед тим як потрапити на ці конвеєри команди сортируються і спрямовуються на відповідний конвеєр. Конвеєри цього процесора досить “довгі” - вони складаються з семи ступенів для цілих чисел та з девяти для чисел з плаваючою точкою. Кожний конвеєр забезпечується певною кількістю робочих регістрів, до яких записуються вхідні дані та результати обчислень.

Перевагою такої системи є те, що, по-перше, пристрої з жорсткою логікою працюють швидше, аніж  ті, які потребують мікропрограмного керування; по-друге, у цих конвеєрах можуть оброблятися одночасно і незалежна одна від одної декілька команд. Слід однак мати на увазі, що коли підряд ідуть кілька однотипних команд, то виникає черга до відповідного конвеєра, тоді як інші конвеєри простоюють.

Пашпортні дані розглянутого RISC-процесора виглядають досить показно:

шина адреси - 40 розрядів;

шина даних  -128 розрядів;

тактова частота - 300 МГц (внутрішня); зовнішня частина ЕОМ  може працювати з частотою у 3 - 15 разів меншою, щоб узгодити швидкодію процесора з швидкодією оперативної памяті;

продуктивність 1200 MIPS;

кількість транзисторів 9.3 млн.шт; всі вони розташовані на кристалі з площею 300 мм2.

потужність теплорозсіювання становить 50 Вт, отже для охолодження процесора потрібний досить сильний вентилятор;

собівартість 430$, відпускна ціна 3000$ (по стану на 1997р.).

Пентіум

Цей процесор, розроблений фірмою Intel в 1992-93рр., мав дістати, здавалося б, назву 08586. Але фірма з якихось причин віддала перевагу комерційній назві “Pentium”. Ось деякі його пашпортні дані:

розрядність шина адреси -32;

розрядність шини даних - 64;

тактова частота - до 150 МГц;

продуктивність більша від 100 MIPS;

кількість транзисторів  на кристалі більша від 3 млн.шт. при розмірах 0.8мкм;

живлення від +5В.

Структурна схема Pentiumа  зображена на рис.20.2.

Як видно, . його архітектура істотно відрізняється від архітектури попередніх Intel - процесорів і більш нагадує архітектуру розглянутого вище RISC - процесора. Характерними особливостями архітектури Pentium є:

64 - розрядна внутрішня шина даних;

два внутрішніх кеші по 8 Кбайт, окремо для команд і для даних (на відміну, наприклад, від і486, котрий має лише один загальний внутрішній кеш на 8 Кбайт як для команд, так і для даних). Це дає можливість прискорити роботу процесора і виключає виникнення конфліктів на системній шині;

Pentium може вважатися суперскалярним процесором бо в його архітектурі передбачено два конвеєри, які упаралель виконують операції з цілими числами. Один з конвеєрів ( U- конвеєр) має повний набір команд, другий (V - конвеєр) має дещо менший їх набір. Окремо створено конвеєр для роботи  з числам з плаваючою точкою. У конвеєрах є лінії з жорсткою логікою, які спроможні виконувати певні етапи обробки даних без потреби мікрокомандного керування. У конвеєрах цілих чисел таких ділянок пять, а у конвеєрі для чисел з плаваючою точкою - вісім. У цьому ж блоці передбачені пристрої для апаратного підраховування найбільш важливих математичних функцій так  що цей блок можна вважати за вбудований математичний співпроцесор (як в і486).

цікавою особливістю є блок передбачування розгалужень програми, який “проглядає вперед” програму, визначає місця можливих розгалужень і готується до них.

За швидкістю виконання команд з плаваючою точкою Pentium перевищує 486 DX у 10 разів, а 486 DX2 - у 2 - 3 рази.  Завдяки достатньо великому внутрішньому кешу Pentium може працювати з частотою у кілька разів більшою, ніж усі інші блоки ПЕОМ.

Порівняння RISC і CISC процесорів

Природньо виникає питання - яка ж архітектура краща - RISC чи СISC ? Це питання виникло одразу з появою перших RISC-процесорів і продовжує існувати до сих пір, хоча, мабуть, наближається до свого розвязання. За цією суперечкою стоїть боротьба фірм, що спеціалізуються на розробці та виготовленню RISC та  СISC-процесорів.

Зрозуміло, що пашпортні дані RISC-процесорів виглядають значно вагоміше, аніж навіть у Pentiumа, не кажучи вже про раньші зразки СISC процесорів. Але ЕОМ на RISC-процесорах значно дорожчі від СISC-ЕОМ (майже на порядок). RISC-ЕОМ працює лише з операційною системою UNIX, яка складнішa від  DOS або Windows і потребує більшого обєму памяті.

Тому RISC -ЕОМ доцільно використовувати там, де такі високі параметри дійсно необхідні: для розвязання особливо складних задач або у станціях що обслуговують багато користувачів. Для звичайних користувачів ПЕОМ подібні RISC-машини “не по кишені”, вони надто складні в роботі, а їх високі параметри здебільше зостаються нереалізованими. Можна, звичайно, ввести RISC-машину у режим емуляції звичайної ПЕОМ. Але при цьому всі її вигоди втрачаються.

Щоправда, останнім часом ситуація починає дещо змінюватися. Ціна на RISC-ЕОМ поступово знижується, для них розробляються операційні системи наближені до тих, котрі знайомі широким колам користувачів. Зявилась, наприклад, ОС Microsoft Windows NT, за якою може працювати RISC-ЕОМ і яка є близькою до звичайної Windows.

З іншого боку, CISC-процесори все більше запозичають від RISC-архітектури  і відповідно наближаються до RISC-процесорів за своїми параметрами. Це ми вже простежили на прикладі і486 та Pentiumа. А процесори шостого покоління є вже і зовсім “RISC-подібними”. Так що ці два напрямки в мікропроцесорній техніці, що так довго протистояли один одному, дедалі все більш наближаються один до одного.

Процесори шостого покоління

Розробка процесора шостого покоління, що умовно називається як Р6 (комерційні назви  Pentium Pro та Pentium II), розпочалась фірмою Intel в 1990р. і початок його масового випуску припадає на 1996-97рр. Припускається, що пік його продажу припаде на 1999-2000рр. Кількість транзисторів у цьому процесорі складає 5.5 млн.шт. при розмірах окремого транзистора порядку 0.35 мкм, що наближається до фізично можливої границі. Продуктивність цього процесора досягає 250 MIPS. Тактова частота складає 150 МГц і більш. Напруга живлення 2.9В що зменшує розігрів процесора В керамічному корпусі розташовані дві мікросхеми - власне сам процесор та кристал надшвидкої кеш-памяті другого рівня.  Потужність розсіювання досить значна і може досягати 20 Вт.

В Р6 застосовані методи прискорення швидкодії, які добре зарекомендували себе в процесорах  і486 та Pentiumі,  багаторівнева кеш-память і  декілька спеціалізованих виконавчих пристроїв конвеєрного типу. Але основною новацією, що відрізняє Р6 від його попередників і ще більш наближає його до RISC-процесорів  - це використання в ньому принципу динамічного виконання програм.

Нагадаємо  -  принцип динамічного виконання полягає  в тому що команди виконуються процесором не в тому порядку, в якому вони записані в програмі, а відповідно їх готовності до виконання. Якщо у програмі зустрічається команда, для виконання якої потрібно перезавантажувати кеш, то процесор “обминає” цю команду, відкладаючи її виконання на час, коли всі потрібні дані будуть одержані. При цьому процесор не простоює, а виконує наступні команди, для виконання яких є все потрібне. Результат виконання цих команд тимчасово зберігається в області памяті, яка має назву пула команд і видобувається звідти в міру того, як попередні команди виявляться виконаними.  

Для здійснення цієї ідеї процесор Р6 має своєрідну архітектуру (рис.20.3). Пристрій для видобування команд переглядає команди що зберігаються у кеші команд на 20 - 30 команд вперед відносно існуючого стану лічильника команд і обирає ті з них, для виконання яких є всі готові дані. Дешифратор (1) виробляє для таких команд відповідні мікрокоманди і надсилає їх до виконання у блок (2). А ті команди, для виконання яких ще немає всього потрібного матеріалу, очікують коли ж цей матеріал надійде. Блок (2) складається з чотирьох спеціалізованих виконавчих пристроїв:

пристою для оперування з цілими числами;

пристою для роботи з числами з плаваючою точкою;

двох пристроїв для обробки розгалужень, а також пристроя-диспечера або розподілювача.

Останній сортирує команди за їх характером і спрямовує їх до відповідного виконавчого пристрою. Результати виконання мікрокоманд (мікропрограм) записуються в пул. Там вони зберігаються аж доки не будуть виконані всі попередні команди. За цим слідкує блок відката (3). Коли виявляється, що команда, з вини якої виникла затримка, вже виконана, блок відката спрямовує її результат до кеша даних першого рівня і одразу услід за нею всі подальші команди, які були виконані заздалегідь і результати яких зберігалися у пулі. Отже, блок відката відновлює ту черговість команд, яка існувала у програмі.

Завдяки такій архітектурі процесор не простоює жодного такту, а якщо з виконанням деякої команди виникає затримка, переходить до виконання наступних команд. Ясна річ, що швидкодія процесора при цьому істотно зростає Метод динамічного виконання програм вже давно застосовувався у RISC-процесорах. Тепер він знайшов застосування у черговому поколінні процесорів лінії Intel.

Іншою цікавою новацією є наявність у процесора другої системної шини, через яку він спілкується зі своїм кешем другого рівня, змонтованому поруч з процесором на тому ж кристалі. Завдяки цьому розвантажується основна системна шина, по якій процесор тримає звязок з усіма іншими блоками ЕОМ.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22582. Принципи організації аналізаторів 20 KB
  топічний кіркові проекції побудовані таким чином що площа цієї проекції пропорційна щільності рецепторів; багаторівневості можливость спеціалізації різних рівнів ЦНС на переробці окремих видів І що забезпечує більш швидке реагування на прості сигнали що аналізуються на проміжних рівнях; багатоканльності.
22583. Механізм збудження рецепторів 24 KB
  до первинночутливих відносяться тканинні рецептори пропріорецептори терморецептори і нюхові клітини. Первинночутливі рецептори є універсальним типом рецепторних елементів у безхребетних. Вторинночутл є зоровий слуховий вестибулярний рецептори.
22584. Принцип кодування інформації в нервовій системі 26 KB
  На рівні рецепторів відбувається важливі етапи переробки інформації: отримання прийом сигналів трансформація цих різнорідних по своїй природі сигналів в єдиний по своїй природі процес нервовий імпульс. Ця автономність дає змогу організму що володіє спеціальними механізмами відбору запамятовування збереження і відтворення інформації знову звертатись до зафіксоваої а памяті інформації відновлювати минулі подіїзовнішнього світу у вигляді нервових імпульсів і знову практично в будь який відрізок часу використати в переробці нову...
22585. Види памяті 32 KB
  Види памяті Пам'ять це здатність нервової системи зберігати у зако дованому вигляді інформацію яка при певних умовах може бути виведена з цієї системи відтворена. За тривалістю збереження інформації розрізняють безпосередній відбиток сенсорної інформації іконічну короткочасну секундигодини і довготривалу дні й роки пам'ять. Крім того у людини виділяють первинну вторинну і третинну пам'ять. Цей вид памяті має різні параметри у кожної людини змінюється протягом життя індивіда і залежить від функціонального стану організму.
22586. Кримінальне покарання. Поняття та ознаки 42.88 KB
  Поняття та ознаки Кримінальне покарання є необхідним засобом охорони держави суспільства і безпеки особи від злочинів. У боротьбі зі злочинністю кримінальне покарання має кілька функцій. Подруге реальне виконання кримінального покарання впровадження конкретних правообмежувальних процедур до винних осіб чинить сильний вплив як на самого винного так і на його оточення.
22587. Права та обовязки батьків і дітей 41.21 KB
  Це визначається на підставі Свідоцтва про шлюб і документа закладу охорони здоров'я про народження дружиною дитини. Дружина і чоловік мають право подати до державного органу реєстрації актів цивільного стану спільну заяву про невизнання чоловіка батьком дитини. Якщо мати та батько дитини не перебувають у шлюбі між собою походження дитини від матері визначається на підставі документа закладу охорони здоров'я про народження нею дитини а від батька за заявою матері та батька дитини або за заявою чоловіка який вважає себе батьком дитини або...
22588. Співучасть у злочині 32.16 KB
  Підставою відповідальності тут є той самий склад злочину але вчинюваний у співучасті. Об'єктивні ознаки співучасті виражені у такому формулюванні: злочин вчинений кількома двома або більше суб'єктами злочину спільно. Виконавцем співвиконавцем вважається особа яка безпосередньо або шляхом використання інших осіб що не є суб'єктами злочину вчинила конкретний злочин ч.
22589. Робочий час і його види 34.41 KB
  Згідно з діючим законодавством можна виділити такі види робочого часу: нормальна тривалість робочого часу; скорочений робочий час; неповний робочий час; нормований і ненормований робочий час; надурочний робочий час; нічний робочий час. 50 Кодексу законів про працю України нормальна тривалість робочого часу працівників не може перевищувати 40 годин на тиждень. Але підприємства і організації при укладанні колективного Договору можуть встановлювати меншу норму тривалості робочого часу тобто менше 40 годин на тиждень.
22590. Екологічні права і обовязки громадян 18.98 KB
  Громадяни мають право брати участь в обговоренні проектів законодавчих актів матеріалів щодо розміщення будівництва і реконструкції об'єктів які можуть негативно впливати на стан навколишнього природного середовища та внесення пропозицій до державних та господарських органів установ та організацій з цих питань. Кожен громадянин України має право на участь у розробці та здійсненні заходів щодо охорони навколишнього природного середовища раціонального і комплексного використання природних ресурсів. Громадяни можуть об'єднуватися у...