Процессор. архитектуры процессоров

Введение. Компьютерная техника развивается быстрыми темпами. Вычислительные устройства становятся мощнее, компактнее, удобнее, однако в последнее время повышение производительности устройств стало большой проблемой. В 1965 году Гордон Мур (один из основателей Intel) пришёл к выводу, что «количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца».

Первые разработки в области создания многопроцессорных систем начались в 70-х годах. Длительное время производительность привычных одноядерных процессоров повышалась за счёт увеличения тактовой частоты (до 80% производительности определяла только тактовая частота) с одновременным увеличением числа транзисторов на кристалле. Фундаментальные законы физики остановили этот процесс: чипы стали перегреваться, технологический стал приближаться к размерам атомов кремния. Все эти факторы привели к тому, что:

• увеличились токи утечки, вследствие чего повысилось тепловыделение и потребляемая мощность.
• процессор стал намного «быстрее» памяти. Производительность снижалась из-за задержки обращения к оперативной памяти и загрузке данных в кэш.
• возникает такое понятие как «фон-нейманское узкое место». Оно означает неэффективность архитектуры процессора при выполнении какой-либо программы.

Многопроцессорные системы (как один из способов решения проблемы) не получили широко применения, так как требовали дорогостоящих и сложных в производстве многопроцессорных материнских плат. Исходя из этого, производительность повышалась иными путями. Эффективной оказалась концепция многопоточности – одновременная обработка нескольких потоков команд.

Hyper-Threading Technology (HTT) или технология сверхпоточной обработки данных, позволяющая процессору на одном ядре выполнять несколько программных потоков. Именно HTT по мнению многих специалистов стала предпосылкой для создания многоядерных процессоров. Выполнение процессором одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP –thread-level parallelism).

Для раскрытия потенциала многоядерного процессора исполняемая программа должна задействовать все вычислительные ядра, что не всегда достижимо. Старые последовательные программы, способные использовать лишь одно ядро, теперь уже не будут работать быстрее на новом поколении процессоров, поэтому в разработке новых микропроцессоров всё большее участие принимают программисты.

1. Общие понятия

Архитектура в широком смысле – это описание сложной системы, состоящей из множества элементов.

В процессе развития полупроводниковые структуры (микросхемы) эволюционируют, поэтому принципы построения процессоров, количество входящих в их состав элементов, то, как организовано их взаимодействие, постоянно изменяются. Таким образом, CPU с одинаковыми основными принципами строения, принято называть процессорами одной архитектуры. А сами такие принципы называют архитектурой процессора (или микроархитектурой).

Микропроцессор (или процессор) – это главный компонент компьютера. Он обрабатывает информацию, выполняет программы и управляет другими устройствами системы. От мощности процессора зависит, насколько быстро будут выполняться программы.

Ядро - основа любого микропроцессора. Оно состоит из миллионов транзисторов, расположенных на кристалле кремния. Микропроцессор разбит на специальные ячейки, которые называются регистрами общего назначения (РОН). Работа процессора в общей сложности состоит в извлечении из памяти в определённой последовательности команд и данных и их выполнении. Кроме того, ради повышения быстродействия ПК, микропроцессор снабжён внутренней кэш-памятью. Кэш-память - это внутренняя память процессора, используемая в качестве буфера (для защиты от перебоев со связью с оперативной памятью).

Процессоры Intel, используемые в IBM – совместимых ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд – CISC-процессорам (CISC –Complex Instruction Set Computing).

1.1 Высокопроизводительные вычисления. Параллелизм

Темпы развития вычислительной техники легко проследить: от ENIAC (первый электронный цифровой компьютер общего назначения) с производительностью в несколько тысяч операций в секунду до суперкомпьютера Tianhe-2 (1000 триллионов операций с плавающей запятой в секунду). Это означает, что скорость вычислений увеличилась в триллион раз за 60 лет. Создание высокопроизводительных вычислительных систем – одна из самых сложных научно-технических задач. При том, что скорость вычислений технических средств выросла всего лишь в несколько миллионов раз, общая скорость вычислений выросла в триллионы раз. Этот эффект достигнут за счёт применения параллелизма на всех стадиях вычислений. Параллельные вычисления требуют поиска рационального распределения памяти, надёжных способов передачи информации и координации вычислительных процессов.

1.2 Симметрическая мультипроцессорность

Symmetric Multiprocessing (сокращённо SMP) или симметрическое мультипроцессирование – это особая архитектура мультипроцессорных систем, в которой несколько процессоров имеют доступ к общей памяти. Это очень распространённая архитектура, достаточно широко используемая в последнее время.

При применении SMP в компьютере работает сразу несколько процессоров, каждый над своей задачей. SMP система при качественной операционной системе рационально распределяет задачи между процессорами, обеспечивая равномерную нагрузку на каждый из них. Однако возникает проблема к обращению памяти, ведь даже однопроцессорным системам требуется на это относительно большое время. Таким образом, обращение к оперативной памяти в SMP происходит последовательно: сначала один процессор, затем второй.

В силу перечисленных выше особенностей, SMP-системы применяется исключительно в научной сфере, промышленности, бизнесе, крайне редко в рабочих офисах. Кроме высокой стоимости аппаратной реализации, такие системы нуждаются в очень дорогом и качественном программном обеспечении, обеспечивающем многопоточное выполнение задач. Обычные программы (игры, текстовые редакторы) не будут эффективно работать в SMP-системах, так как в них не предусмотрена такая степень распараллеливания. Если адаптировать какую-либо программу для SMP-системы, то она станет крайне неэффективно работать на однопроцессорных системах, что приводит к необходимости создание нескольких версий одной и той же программы для разных систем. Исключение составляет, например, программа ABLETON LIVE (предназначена для создания музыки и подготовка Dj-сетов), имеющая поддержку мультипроцессорных систем. Если запустить обычную программу на мультипроцессорной системе, она всё же станет работать немного быстрее, чем в однопроцессорной. Это связано с так называемым аппаратным прерыванием (остановка программы для обработки ядром), которое выполняется на другом свободном процессоре.

SMP-система (как и любая другая, основанная на параллельных вычислениях) предъявляет повышенные требования к такому параметру памяти, как полоса пропускания шины памяти. Это зачастую ограничивает количество процессоров в системе (современные SMP- системы эффективно работают вплоть до 16 процессоров).

Так как у процессоров общая память, то возникает необходимость рационального её использования и согласования данных. В мультипроцессорной системе получается так, что несколько кэшей работают для разделяемого ресурса памяти. Сache coherence (когерентность кэша) – свойство кэша, обеспечивающее целостность данных, хранящихся в индивидуальных кэшах для разделяемого ресурса. Данное понятие – частный случай понятия когерентности памяти, где несколько ядер имеют доступ к общей памяти (повсеместно встречается в современных многоядерных системах). Если описать данные понятия в общих чертах, то картина будет следующей: один и тот же блок данных может быть загружен в разные кэши, где данные обрабатываются по-разному.

Если не будут использованы какие-либо уведомления об изменении данных, то возникнет ошибка. Когерентность кэша призвана для разрешения таких конфликтов и поддержки соответствия данных в кэшах.

SMP-системы являются подгруппой MIMD (multi in-struction multi data - вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных) классификации вычислительных систем по Флинну (профессор Стэнфордского университета, сооснователь Palyn Associates). Согласно данной классификации, практически все разновидности параллельных систем можно отнести к MIMD.

Разделение многопроцессорных систем на типы происходит на основе разделения по принципу использования памяти. Этот подход позволил различить следующие важные типы

многопроцессорных систем – multiprocessors (мультипроцессорные системы с общей разделяемой памятью) и multicomputers (системы с раздельной памятью). Общие данные, используемы при параллельных вычислениях требуют синхронизации. Задача синхронизация данных – одна из самых важных проблем, и её решение при разработке многопроцессорных и многоядерных и, соответственно, необходимого программного обеспечения является приоритетной задачей инженеров и программистов. Общий доступ к данным может быть произведён при физическом распределении памяти. Этот подход называется неоднородным доступом к памяти (non-uniform memory access или NUMA).

Среди данных систем можно выделить:

• Системы, где только индивидуальная кэш-память процессоров используется для представления данных (cache-only memory architecture).
• Системы с обеспечением когерентности локальных кэшей для различных процессоров (cache-coherent NUMA).
• Системы с обеспечением общего доступа к индивидуальной памяти процессоров без реализации на аппаратном уровне когерентности кэша (non-cache coherent NUMA).

Упрощение проблемы создания мультипроцессорных систем достигается использованием распределённой общей памяти (distributed shared memory), однако этот способ приводит к ощутимому повышению сложности параллельного программирования.

1.3 Одновременная многопоточность

Исходя из всех вышеперечисленных недостатков симметрической мультипроцессорности, имеет смысл разработка и развитие других способов повышения производительности. Если проанализировать работу каждого отдельного транзистора в процессоре, можно обратить внимание на очень интересный факт – при выполнении большинства вычислительных операций задействуются далеко не все компоненты процессора (согласно последним исследованиям – около 30% всех транзисторов). Таким образом, если процессор выполняет, скажем, несложную арифметическую операцию, то большая часть процессора простаивает, следовательно, её можно использовать для других вычислений. Так, если в данный момент процессор выполняет вещественные операции, то в свободную часть можно загрузить целочисленную арифметическую операцию. Чтобы увеличить нагрузку на процессор, можно создать спекулятивное (или опережающее) выполнение операций, что требует большого усложнения аппаратной логики процессора. Если в программе заранее определить потоки (последовательности команд), которые могут выполняться независимо друг от друга, то это заметно упростит задачу (данный способ легко реализуется на аппаратном уровне). Эта идея, принадлежащая Дину Тулсену (разработана им в 1955 г в университете Вашингтона), получила название одновременной многопоточности (simul-taneous multithreading). Позднее она была развита компанией Intel под названием гиперпоточности (hyper threading). Так, один процессор, выполняющий множество потоков, воспринимается операционной системой Windows как несколько процессоров. Использование данной технологии опять-таки требует соответствующего уровня программного обеспечения. Максимальный эффект от применения технологии многопоточности составляет около 30%.

1.4 Многоядерность

Технология многопоточности – реализация многоядерности на программном уровне. Дальнейшее увеличение производительности, как всегда, требует изменений в аппаратной части процессора. Усложнение систем и архитектур не всегда оказывается действенным. Существует обратное мнение: «всё гениальное – просто!». Действительно, чтобы повысить производительность процессора вовсе необязательно повышать его тактовую частоту, усложнять логическую и аппаратную составляющие, так как достаточно лишь провести рационализацию и доработку существующей технологии. Такой способ весьма выгоден – не нужно решать проблему повышения тепловыделения процессора, разработку нового дорогостоящего оборудования для производства микросхем. Данный подход и был реализован в рамках технологии многоядерности – реализация на одном кристалле нескольких вычислительных ядер. Если взять исходный процессор и сравнить прирост производительности при реализации нескольких способов повышения производительности, то очевидно, что применение технологии многоядерности является оптимальным вариантом.

Если сравнивать архитектуры симметричного мультипроцессора и многоядерного, то они окажутся практически идентичными. Кэш-память ядер может быть многоуровневой (локальной и общей, причём данные из оперативной памяти могут загружаться в кэш-память второго уровня напрямую). Исходя из рассмотренных достоинств многоядерной архитектуры процессоров, производители делают акцент именно на ней. Данная технология оказалась достаточно дешёвой в реализации и универсальной, что позволило вывести её на широкий рынок. Кроме того, данная архитектура внесла свои коррективы в закон Мура: «количество вычислительных ядер в процессоре будет удваиваться каждые 18 месяцев».

Если посмотреть на современный рынок компьютерной техники, то можно увидеть, что доминируют устройства с четырёх- и восьми- ядерными процессорами. Кроме того, производители процессоров заявляют, что в скором времени на рынке можно будет увидеть процессоры с сотнями вычислительных ядер. Как уже неоднократно говорилось ранее, весь потенциал многоядерной архитектуры раскрывается только при наличии качественного программного обеспечения. Таким образом, сфера производства компьютерного «железа» и программного обеспечения очень тесно связаны между собой.

Архитектура процессора - комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний. Например, все модификации процессоров Pentium, Celeron, i486 имеют архитектуру IA-32 (Intel Architecture - 32 bit), которая характеризуется стандартным набором регистров, предоставляемых пользователю, общей системой основных команд и способов организации и адресации памяти, одинаковой реализацией защиты памяти и обслуживания прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют регистровое запоминающее устройство (РЗУ) - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

Программный счетчик ПК (CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel);

Регистр состояния SR (EFLAGS);

Регистры управления режимом работы процессора CR;

Регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;

Регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

В ряде процессоров выделяются регистры, которые используются при выполнении прикладных программ и доступны каждому пользователю, и регистры, которые управляют режимом работы всей системы и доступны только для привилегированных программ, входящих в состав операционной системы (супервизора). Соответственно, такие процессоры представляются в виде регистровой модели пользователя, в которую входят регистры, используемые при выполнении прикладных программ, или регистровой модели супервизора, которая содержит весь набор программно-доступных регистров процессора, используемых операционной системой.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурами.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Эта архитектура имеет ряд важных достоинств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения микропроцессора. Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.

Основным недостатком Принстонской архитектуры считается необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом», которое ограничивает производительность цифровой системы. Постоянно возрастающие требования к производительности микропроцессорных систем вызвали в последние годы все более широкое применение Гарвардской архитектуры при создании многих типов современных микропроцессоров.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры.

Гарвардская архитектура получила также широкое применение в микроконтроллерах - специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, рабочая программа которых обычно хранится в отдельном ПЗУ.

Первый "настоящий" RISC - процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC -процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.

По данным независимой компании IDC , в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%

Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISC-процессоров в семействе IA-32 . В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память , и добавился целый ряд новых команд.

Основные особенности RISC -процессоров:

1. Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).
2. Большинство команд выполняется за 1 такт.
3. Большое количество регистров общего назначения.
4. Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.
5. Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.
6. Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.
7. Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

RISC-процессоры 3-го поколения

Самыми крупными разработчиками RISC -процессоров считаются Sun Microsystems ( архитектура SPARC - Ultra SPARC ), IBM (многокристальные процессоры Power , однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment ( Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 -- R 10000), а также Hewlett-Packard ( архитектура PA-RISC - PA-8000).

Все RISC -процессоры третьего поколения:

• являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);
• имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;
• имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;
• изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.

Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.

Повышение производительности RISC -процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC , наиболее сложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard. Рассмотрим процессоры этих фирм более подробно.

Структура процессоров Alpha: 21064, 21264

Структура процессора Alpha 21064 представлена на рис. 10.1 .

Рис. 10.1.

Основные функциональные блоки процессора Alpha 21064:

• I-cache - кэш команд.
• IRF - регистровый файл целочисленной арифметики.
• F-box - устройство арифметики с плавающей точкой.
• E-box - устройство целочисленной арифметики (7 ступеней конвейера ).
• I-box - командное устройство (управляет кэш команд, выборкой и дешифрацией команд).
• A-box - устройство управления загрузкой/сохранением данных. Управляет процессом обмена данными м/у IRF, FRF , кэш данных и внешней памятью.
• Write Buffer - буфер обратной записи.
• D-cache - КЭШ данных.
• BIU - интерфейсный блок, с помощью которого подключаются внешняя кэшпамять, размером 128 Кб-8 Мб.

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264

Процессор Alpha 21264 отличается значительной новизной по сравнению с предшественником 21164. Он обладает кэш-памятью первого уровня большего объема, дополнительными функциональными блоками, более эффективными средствами предсказания ветвлений, новыми инструкциями обработки видеоданных и широкой шиной.

Alpha 21264 читает до четырех инструкций за один такт и может одновременно исполнять до шести инструкций. Самое большое его отличие от модели 21164 - это способность выполнять команды (впервые для Alpha) с изменением их очередности (Out-of-Order).

Эффективность выполнения Out-of-Order определяется количеством инструкций, которыми может манипулировать ЦП в целях определения оптимального порядка выполнения команд. Чем больше инструкций ЦП может для этого использовать, тем лучше, тем дальше он может заглядывать вперед. Процессоры Intel класса Р6 ( Pentium Pro , Pentium II, Xeon) могут одновременно обращаться не менее чем с 40 командами. У других процессоров данный показатель значительно больше: PA-8000 фирмы HP оперирует 56 командами, а процессор Alpha справляется с 80 командами.

Как и большинство RISC-процессоров, Alpha содержит набор из 32 целочисленных и 32 регистров с плавающей запятой, все они имеют разрядность 64 бита. Для повышения эффективности внеочередного выполнения команд процессор 21264 дополнительно к обычному набору регистров снабжен еще 48 целочисленными регистрами и 40 регистрами с плавающей запятой.

Каждый регистр может временно хранить значения текущих команд. Если обрабатывается какая-либо инструкция, нет необходимости перегружать результат в целевой регистр - вместо этого ЦП просто переименовывает временный регистр ( Register Renaming ).

Подобное переименование регистров есть и в других процессорах. Однако в 21264 реализована уникальная "хитрость" - он имеет задублированный набор целочисленных регистров, каждый из 80 целочисленных регистров дублируется еще раз. Таким образом, на чипе в целом - 160 целочисленных регистров. Это одна из причин, почему, несмотря на сложность выполнения Out-of-Order, допустима высокая частота процессора 21264.

Блоки целочисленных операций в обеих группах идентичны не полностью. Одна из них содержит блок умножения, а вторая - специальную логику для обработки движущихся изображений (MPEG). Для этого набор команд Alpha был дополнен пятью новыми командами. Самая интересная из них - PERR - служит для оценки движения, т.е. выполнения задачи, возникающей как при сжатии, так и декомпрессии MPEG. Команда PERR выполняет работу девяти обычных инструкций. Таким образом, процессор 21264 может декодировать видеопоследовательности MPEG-2, а также DVD-аудиоданные AC-3 в режиме реального времени без использования дополнительных периферийных устройств.

В аспекте прикладной деятельности.

С точки зрения программиста - совместимость с определённым набором команд (например, процессоры, совместимые с командами Intel х86), их структуры (например, систем адресации или организации регистровой памяти) и способа исполнения (например, счетчик команд).

С точки зрения аппаратной составляющей вычислительной системы - это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (иначе говоря - «внутренняя конструкция», «организация» этих процессоров). Имеются различные классификации архитектур процессоров, как по организации (например, по количеству и скорости выполнения команд: RISC , CISC), так и по назначению (например, специализированные графические).

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Архитектура процессора" в других словарях:

Архитектура процессора - Базовый набор ключевых возможностей того или иного поколения процессоров. По названиям архитектур специалисты отличают тот или иной подвид чипов. Например, Pentium III и Pentium 4. Современные процессоры для мобильных ПК изготавливаются с… … Глоссарий терминов бытовой и компьютерной техники Samsung

архитектура процессора с изменяемой вычислительной мощностью - Разработана в фирме Sun. [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] Тематики информационные технологии в целом EN scalable processor architectureSPARC …

архитектура контроллера Справочник технического переводчика

архитектура контроллера - Архитектурой контроллера называют набор его основных компонентов и связей между ними. Типовой состав ПЛК включает центральный процессор, память, сетевые интерфейсы и устройства ввода вывода. Типовая… … Справочник технического переводчика

Архитектура современного персонального компьютера это схема его чипсета, которую можно найти на сайтах производителей Intel и AMD.Чипсет это набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами.… … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации. Викифицировать статью. Архитектура вычислительной машины (Архитектура … Википедия

ARM процессор производства Conexant, ставится в основном в маршрутизаторах (ранее Advanced RISC Machine усовершенствованная ARM Limited. Эта архитектура широко используется в разработке встраиваемых систем. Это связанно с тем, что данные… … Википедия

- … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Архитектура персонального компьютера компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные… … Википедия

Эту страницу предлагается объединить с Система команд. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К объединению/6 ноября 2011. Обсуждение длится одну неделю (или дольш … Википедия

Книги

• Цифровая схемотехника и архитектура компьютера , Харрис Д.М.. Это дополнительный тираж книги с добавленным Предметным указателем, напечатанный черным и синим цветом как оригинальное американское издание! Также в новом издании исправлены неточности,…
• Архитектура ЭВМ и вычислительные системы. Учебник , В. В. Степина. Рассмотрены информационно-логические основы электронно-вычислительной техники, типовые логические элементы и устройства ЭВМ, структура и функционирование процессора, принципы организации и…

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