Архітектура комп'ютерів, мікропроцесори

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Бердичівський політехнічний коледж















Контрольна робота

№ 1 з дисципліни

«Архітектура комп'ютерів»

курс 4

(варіант №7)





Студента групи ПЗС-405

Івасюка Андрія Михайловича

Перевірив

викладач В.Ю. Козік



















м. Бердичів, 2006 р.


Зміст



1. Структурна систематика архітектури Р. Хокні та К. Джессхоупа

2. Технологія SMM, SSE

3. Набори мікросхем системної логіки процесорів Pentium II/III

4. Суперскалярний мікропроцесор та конвеєри виконання команд

Список використаної літератури


1. Структурна систематика архітектури Р. Хокні та К. Джессхоупа



На першому рівні всі обчислювальні системи поділяють за принципом множинності (кількості) на одно-комп’ютерні та багато комп’ютерні. Обчислювальні системи з одним комп’ютером, у свою чергу, поділяються на ЕОМ з одним конвеєрним МП та з багатьма МП.

Перші з них є традиційними послідовними комп’ютерами, а другі утворюють клас паралельних комп’ютерів, які поділяють на конвеєрні, не конвеєрні та мікропроцесорні матриці.

Прикладом однієї з перших не конвеєрних обчислювальних машин з паралелізмом е комп’ютер СБС-6600, побудований на основі декількох скалярних процесорів.

Конвеєрні ЕОМ поділяються на такі, що виконують тільки скалярні команди, наприклад комп’ютери СБС-7800, РРС АР-120В, і такі, що виконують векторні команди. Комп’ютери, що використовують векторні команди, поділяють, у свою чергу, на комп’ютери із спеціалізованим конвеєром, наприклад СКАУ-1, та з універсальним конвеєром - комп’ютер СУВЕК 205.

Комп’ютери а класу машин з матрицею процесорів поділяють за зв’язаністю процесорів в матриці, розрядністю тощо.

За призначенням комп’ютери поділяють на дві основні групи:

	універсальні

	спеціалізовані.

Сучасний PC є і простим і складним. Він став простіше, оскільки за минулі роки багато компонентів, що використовуються для збірки системи, були інтегровано з іншими компонентами і тому кількість елементів зменшилася. Він став складніше, оскільки кожна частина сучасної системи виконує набагато більше функцій, ніж ті ж частини в старіших системах.

Нижче перераховані всі компоненти, які повинен містити сучасний PC.




2. Технологія SMM, SSE



Задавшись метою створення все більш швидких і могутніх процесорів для портативних комп'ютерів, Intel розробила схему управління живленням. Ця схема дає можливість процесорам економно використати енергію батареї і таким чином продовжити термін її служби. Intel вперше реалізувала таку можливість в процесорі 486SL, який є вдосконаленою версією процесора 486DX. Згодом, коли можливості управління живленням стали більш універсальними, їх почали вбудовувати в Pentium і у всі процесори пізніших поколінь. Система управління живленням процесорів називається SMM (System Management Mode — режим управління системою).

SMM фізично інтегрована в процесор, але функціонує незалежно. Завдяки цьому вона може управляти споживанням потужності, залежно від рівня активності процесора. Це дозволяє користувачу визначати інтервали часу, після закінчення яких процесор буде частковий або повністю вимкнений. Дана схема також підтримує можливість припинення/відновлення, яка дозволяє миттєво включати і відключати потужність, що звичайно використовується в портативних комп'ютерах. Відповідні параметри встановлюються в BIOS. У лютому 1999 року Intel представила громадськості процесор Pentium III, що містить оновлення технології ММХ, що одержала назву SSE (Streaming SIMD Extensions — потокові розширення SIMD). До цього моменту інструкції SSE носили ім'я Katmai New Instructions (KNI), оскільки спочатку вони були включені в процесор Pentium III з кодовим ім'ям Katmai. Процесори Celeron 533A і вище, створені на основі ядра Pentium III, теж підтримують інструкції SSE. Раніші версії процесора Pentium II, рівно як Celeron 533 і нижче (створені на основі ядра Pentium II), SSE не підтримують.

Інструкції SSE містять 70 нових команд для роботи з графікою і звуком на додаток до існуючих команд ММХ. Фактично цей набір інструкцій окрім назви KNI мав ще і другу назву — ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з плаваючою комою, реалізовувані в окремому модулі процесора. У технологіях ММХ для цих цілей використовувався стандартний пристрій з плаваючою комою.

У лютому 1999 року Intel представила громадськості процесор Pentium III, що містить оновлення технології ММХ, що одержала назву SSE (Streaming SIMD Extensions — потокові розширення SIMD). До цього моменту інструкції SSE носили ім'я Katmai New Instructions (KNI), оскільки спочатку вони були включені в процесор Pentium III з кодовим ім'ям Katmai. Процесори Celeron 533A і вище, створені на основі ядра Pentium III, теж підтримують інструкції SSE. Раніші версії процесора Pentium II, рівно як Celeron 533 і нижче (створені на основі ядра Pentium II), SSE не підтримують.

Інструкції SSE містять 70 нових команд для роботи з графікою і звуком на додаток до існуючих команд ММХ. Фактично цей набір інструкцій окрім назви KNI мав ще і другу назву — ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з плаваючою комою, реалізовувані в окремому модулі процесора. У технологіях ММХ для цих цілей використовувався стандартний пристрій з плаваючою комою.

Інструкції SSE2, що містять в собі 144 додаткові команди SIMD, були представлені в листопаді 2000 року разом з процесором Pentium 4. У SSE2 були включені всі інструкції попередніх наборів ММХ і SSE.

Потокові розширення SIMD (SSE) містять цілий ряд нових команд для виконання операцій з плаваючою комою і цілими числами, а також команди управління кеш пам'яттю. Нові технології SSE дозволяють ефективніше працювати з тривимірною графікою, потоками аудіо- і відеоданих (DVD-відтворення), а також додатками розпізнавання мови. В цілому SSE забезпечує наступні переваги:

	вищий дозвіл/якість при перегляді і обробці графічних зображень;

	поліпшена якість відтворення звукових і відеофайлів у форматі MPEG2, а також одночасне кодування і декодування формату MPEG2 в мультимедійних додатках;

		зменшення завантаження процесора і підвищення точності/швидкості реагування при виконанні програмного забезпечення для розпізнавання мови.

	Інструкції SSE і SSE2 особливо ефективні при декодуванні файлів формату MPEG2, який є стандартом стиснення звукових і відеоданих, використовуваним в DVD-дисках. Отже, SSE-оснащені процесори дозволяють досягти максимальної швидкості декодування MPEG2 без використовування додаткових апаратних засобів (наприклад, платня декодера MPEG2). Крім того, процесори, що містять набір інструкцій SSE, значно перевершують попередні версії процесорів при розпізнаванні мови.

Однією з основних переваг SSE по відношенню до ММХ є підтримка операцій SIMD з плаваючою комою, що дуже важливе при обробці тривимірних графічних зображень. Технологія SIMD, як і ММХ, дозволяє виконувати відразу декілька операцій при отриманні процесором однієї команди. Зокрема, SSE підтримує виконання до чотирьох операцій з плаваючою комою за цикл; одна інструкція може одночасно обробляти чотири блоки даних. Для виконання операцій з плаваючою комою інструкції SSE можуть використовуватися разом з командами ММХ без помітного зниження швидкодії. SSE також підтримує попереджуючу вибірку, даних (prefetching), яка є механізмом попереднього прочитування даних з кеш-пам'яті.

Зверніть увагу, що якнайкращий результат використовування нових інструкцій процесора забезпечується тільки при їх підтримці на рівні використовуваних додатків. На сьогоднішній день більшість компаній, що займаються розробкою програмного забезпечення, модифікувала додатки, пов'язані з обробкою графіки і звуку, що дозволило більш повно використовувати можливості SSE. Наприклад, графічний додаток Adobe Photoshop підтримує інструкції SSE, що значно підвищує ефективність використовування SSE-оснащених процесорів. Підтримка інструкцій SSE вбудована в DirectX 6.1 і в самі останні відео- і аудіодрайвери, що поставляються з операційними системами Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4.0 (з пакетом оновлення 5 або пізнішим) і Windows 2000.

Інструкції SSE є розширенням технологій ММХ, а SSE2 — розширенням інструкцій SSE. Таким чином, процесори, що підтримують SSE2, підтримують також інструкції SSE, а процесори, що підтримують інструкції SSE, у свою чергу, підтримують оригінальні команди ММХ. Це означає, що стандартні ММХ – додатки можуть виконуватися практично на будь-яких системах.



3. Набори мікросхем системної логіки процесорів Pentium II/III



В кінці 1999 року з’явилися набори мікросхем і системна плата з тактовою частотою 133 Мгц, що підтримувала всі сучасні версії процесора Pentium III. В цей же час компанія AMD випустила системну плату Athlon і набори мікросхем з тактовою частотою 100 Мгц, використовуючи технологію подвійної передачі даних. Це дозволило збільшити швидкість передачі даних між процесором Athlon і основним набором мікросхем North Bridge до 200 Мгц.

До 2001 року швидкодія шин процесорів AMD Athlon і Intel Itanium збільшилася до 266 Мгц, а шини процесора Pentium 4 — до 400 Мгц.

У сучасних комп’ютерах використовується генератор змінної частоти, звичайно розташований на системній плати; він генерує опорну частоту для системної плати і процесора. На більшості системних плат процесорів Pentium можна встановити одне з трьох або чотирьох значень тактової частоти. Сьогодні випускається безліч версій процесорів, що працюють на різних частотах, залежно від тактової частоти конкретної системної плати. У додатку приведені тактові частоти процесорів Pentium і системної плати до них.

У деяких системах можна встановити велику робочу частоту процесора; це називається розгоном (overclocking). Після установки великих значень частоти процесора збільшується і його швидкодія. Практично всі типи процесорів мають так званий "технологічний запас" безпечного збільшення тактової частоти. Наприклад, процесор 800 Мгц може працювати на частоті 900 Мгц і вище. Слід зазначити, що при розгоні процесора знижується стійкість його роботи.

Звичайно допускається 10-20 процентне збільшення частоти системної шини без наслідків для процесора, тобто таке збільшення не позначається на стабільності роботи системи. В майбутньому набори мікросхем системної логіки будуть здатні організувати роботу чотирьох або більшої кількості процесорів Pentium II в єдиній багатопроцесорній системі, перш за все для використовування як файл-сервер. Є версії Pentium II з кодами корекції помилок (Error Correction Code — ЕСC) на шині кеша другого рівня (L2). Вони розроблені спеціально для серверів або інших систем, що виконують життєво важливі задачі, в яких велику роль грає надійність і цілісність даних. У всіх процесорах Pentium II сигнали запиту і видачі адреси на шину захищені контролем парності і, крім того, передбачений механізм повторення для підвищення цілісності і надійності даних. Для установки Pentium II в систему існує спеціальне кріплення. Процесор встановлюється в Slot 1 на системній платні так, щоб бути захищеним від пошкоджень в результаті вібрацій і поштовхів. Кріплення розробляються виготівниками системної платні. В мікросхемі Pentium напруга живлення, що використовується цими мікросхемами, — 3,3 В і нижче. Струм, споживаний процесором з тактовою частотою 100 Мгц, рівний 3,25 А, що відповідає споживаній потужності 10,725 Вт. Менш швидкодійний процесор з тактовою частотою 90 Мгц споживає струм 2,95 А, що відповідає споживаній потужності 9,735 Вт. Процесор з тактовою частотою 150 Мгц споживає струм не більше 3 А при напрузі 3,3 В (потужність 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 корпусі SPGA, який не сумісний з корпусом процесора першого покоління. Перейти від мікросхем першого покоління до мікросхем другого покоління можна тільки одним способом — замінити системну платню. На кристалі процесора Pentium другого покоління розташовується 3,3 млн транзисторів, тобто більше, ніж у перших мікросхем. Деякі мікросхеми Pentium працюватимуть тільки при певних комбінаціях цих висновків або, можливо, при їх установці в якому-небудь одному положенні. Багато новітньої системної платні мають перемички або перемикачі, що дозволяють регулювати контакти BF і тим самим змінювати відношення кратності множення тактової частоти в процесорі. Деякі користувачі “примушують” процесори Pentium на 75 Мгц працювати на частоті 133 Мгц. Pentium II/III і Athlon кеш-пам'ять другого рівня є частиною процесора. Звичайно ж, він зовнішній по відношенню до кристала центрального процесора, просто ця окрема мікросхема встановлюється усередині корпусу (картріджа) процесора. Тому на системній платиі для процесорів Pentium Pro або Pentium II немає ніякого кеша. В останніх моделях процесорів Pentium III кеш-пам'ять другого рівня є частиною мікросхеми процесора (подібно кеш-пам'яті першого рівня) і працює на більш високих частотах (на частоті процесора, половинній або третини). В процесорах Itanium для збільшення продуктивності використовується три рівні кеш-пам'яті.



4. Суперскалярний мікропроцесор та конвеєри виконання команд



У процесорах Pentium п'ятого і подальших поколінь вбудований ряд внутрішніх конвейєрів, які можуть виконувати декілька команд одночасно. Процесор 486 і всі передуючі протягом певного відрізка часу могли виконувати тільки одну команду. Технологія одночасного виконання декількох команд називається суперскалярною. Завдяки використовуванню даної технології і забезпечується додаткова ефективність в порівнянні з процесором 486.

Суперскалярна архітектура звичайно асоціюється з мікросхемами RISC (Reduced Instruction Set Computer — комп'ютер із спрощеною системою команд). Процесор Pentium — одна з перших мікросхем CISC (Complex Instruction Set Computer — комп'ютер з складною системою команд), в якій застосовується суперскалярна технологія, реалізована у всіх процесорах п'ятого і подальших поколінь.

Розглянемо на прикладі установки електричної лампочки інструкції CISC.

	Візьміть електричну лампочку.

	Вставте її в патрон.

	Обертайте повністю.

І аналогічний приклад у вигляді інструкцій RISC.

	1.	Піднесіть руку до лампочки.

	Візьміть лампочку.

	Підніміть руку до патрона.

	Вставте лампочку в патрон.

	Поверніть її.

	Лампочка повертається в патроні? Якщо так, то перейти до п.5

	Кінець.

Багато інструкцій RISC є досить простими (або скороченими), тому для виконання якої-небудь операції потрібно більше число подібних інструкцій. Їх основна перевага полягає у тому, що процесор виконує менше операцій, що, як правило, зменшує час виконання окремих команд і, відповідно, всієї задачі (програми). Можна довго сперечатися про те, що ж насправді краще — RISC або CISC, хоча, якщо говорити чесно, такого поняття, як "чиста" мікросхема RISC або CISC, не існує. Подібна класифікація не більше ніж питання термінології.

Процесори Intel і сумісні з ними процесори можна визначити, як мікросхеми CISC. Не дивлячись на це, процесори п'ятого і шостого покоління володіють різними атрибутами RISC і розбивають під час роботи команди CISC на простіші інструкції RISC. Суперскалярна архітектура дозволяє обробляти одночасно до 32 інструкцій (що знаходяться на різних етапах обробки). Для прогнозу розгалужень використовується спеціальний блок — обробник логічних умов (branch unit). У процесорах Pentium шина даних 64-розрядна, а регістри 32-розрядні. Така побудова на перший погляд здається дивною, якщо не враховувати, що в цьому процесорі для обробки інформації служать два 32-розрядні паралельні конвейєри. Pentium багато в чому подібний двом 32-розрядним процесорам, об'єднаним в одному корпусі, а 64-розрядна шина даних дозволяє швидше заповнити робочі регістри. Архітектура процесора з декількома конвейєрами називається суперскалярною. Суперскалярна архітектура – в неї є два конвейєри для паралельного виконання декількох команд. І прогноз переходів. З високою точністю прогнозується, які наступні команди будуть виконанні. Попереджуюче виконання. Дозволяє раціонально використовувати конвеєри; завдяки цьому засобу конвеєри безперервно, без зупинки, виконують команди (навіть після команд галуження). Засоби переупорядковування команд. Допускають зміну порядку виконання команд в конвейєрі, завдяки чому економиться час, оскільки не уривається потік команд програми. В процесорі 6x86 передбачено два кеші: двох портовий з'єднаний (універсальний) кеш місткістю 16 Кбайт і 256-байтовий кеш команд. З'єднаний кеш доповнений маленьким (місткістю в четверть кілобайта) швидкодійним асоціативним кешем команд. В процесорі 6x86MX в чотири рази збільшений розмір внутрішнього кеша (тобто його об'єм рівний 64 Кбайт), що значно підвищило його ефективність. В систему команд процесора 6x86MX входить 57 команд MMX, завдяки яким швидшає виконання деяких циклів з великим об'ємом обчислень в мережних і мультимедійних додатках. Всі процесори 6x86 підтримують режим System Management Mode (SMM). Це означає, що передбачено переривання, яке може використовуватися для управління живленням системи або емуляції периферійних пристроїв уведення-виведення, прозорої для програмного забезпечення. Крім того, в 6x86 підтримується апаратний інтерфейс, що дозволяє перевести центральний процесор в режим припинення, в якому він споживає менше енергії.


Список використаної літератури:



Тулі М., Справочний посібник по цифровій техніці: М.: Энергоатоміздат, 1990.

Срібнер Л.А. Програмуючі пристрої автоматики: - К.: Техніка, 1984

Буреев Л.Н. Найпростіша мікро-ЕВМ: -М.; Енергоатоміздат, 1989.

Конспект лекцій.