Архитектура VLIW.

· набор команд (состав инструкций);

Рабочая тактовая частотапроцессораво многом определяет его внутреннее быстродей­ствие, т.к. каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быс­тродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает процессор.

Кэш-память - устанавливается на плате процессора и имеет два уровня:

· L1— память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра процессора) и работающая на полной частоте (впервые кэш L1 был введен в моделях 80486 и 80386SLC);

· L2 — память 2-го уровня - кристалл, размещаемый на плате процессора и связанный с ядром внутренней процессорной шиной (впервые введен в модель Pen­tium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте процессора. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности мик­ропроцессорной шины.

Набор команд(Состав инструкций)— перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых процессором. От типа команд зависит классификационная группа (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в процессоре, и те категории данных, над кото­рыми могут выполняться эти процедуры. Существенное изменение состава инструкций произошло в модели 80386 (этот состав далее принят как базовый), затем в Pentium, Pentium MMX, Pentium III. Дополнительные инструкции вводились в моделях 80286, 80486, Pentium Pro и т. д.

Конструктив - определяет физические разъемные соединения, в которые уста­навливаются процессоры, и которые определяют пригодность системной платы для его уста­новки. Разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сиг­налы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжениетакже определяет пригодность системной платы для установки процессора.

Все процессоры можно разделить на четыре типа (архитектуры) (Слайд 5):

1. CISC(Complex Instruction Set Command) с полным набором систе­мы команд.

2. RISC(Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором систе­мы команд.

3. VLIW(Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом.

4. MISC(Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием.

Современные процес­соры имеют два режима работы (Слайд 5):

· Реальный (однозадачный, Real Address Mode) - возможно выпол­нение только одной программы. Непосредственно адресоваться могут толь­ко 1024 + 64 Кбайт ОП компьютера. Остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов. Ре­жим поддерживается операционной системой DOS.

· Защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode) - выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адре­сацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Обеспечивается непосредственный доступ к памяти 16 Мбайт у модели 80286; 4 Гбайт при процессорах 80386, 80486, Celeron; 100 Гбайт при Pentium Xeon и 64 Гбайт при остальных процессорах Pentiumивыше, а при страничной организации памяти к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задачи. В этом режиме обеспечивается автоматическое распре­деление памяти между выполняемыми программами и соответствующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный режим под­держивается операционными системами Windows, UNIX и т. д.

3. Архитектура CISC.

(Слайд 6)

Большинство современных ПК типа IBM PC используют процессоры типа CISC,выпус­каемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д.

Концепция процессорной архитектурыCISCвпер­вые реализована корпорацией Intelв 1978 г.В литературе имеются разные расшифровки: ComplexInstructionSetCalculationилиComplete Instruction Set Computing — расширенная система командпеременной длины . Команды процессоров х86фирмыIntelмогут иметь длину от 8 до 108 бит, и процессор должен последовательно декоди­ровать инструкцию после определения ее границ. Тогда процессоры были скалярными устройствами (то есть могли в каждый момент вре­мени выполнять только одну команду), а конвейерная обработка (См. ниже) прак­тически не применялась (исключение составляли большие ЭВМ).

CISC-процессоры с полной системой команд, насчитывающей до 250 единиц обычно используются в персональных компьютерах типа рабочая станция или домашний ПК. К примеру, к ним относятся 32-битные - 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV фирмы Intel, которые совместимы по командам и фор­матам данных снизу вверх. Эти процессоры использовались и используются в различных модификациях IBM PC.

В процессе развития моделей процессоров от 8-ми до 32-х разрядных базовую систему команд заменила расширенная сис­тема команд, причем расширение системы команд продолжается во всех новых моделях. Вводились дополнительные архитектурные решения, позволившие сделать IBM PC мультипрограммным, многопользовательским (процессор 80286 позволял работать с 10, а процессор 80386 - с 60терминалами) и многозадач­ным. Начиная с процессора 80586, цифровая характеристика процес­сора заменена названием «Pentium».

Появление моделей процессоров 80286 и 80486 фирмы Intel знаменовало качественные переходы архитектуры процессоров на более высокий уровень:

· У МП 80286 и выше использовалось т.н. конвейерное выполнение команд - одновременное выполнение раз­ных тактов последовательных команд в разных частях процессора при непосредствен­ной передаче результатов из одной его части в другую. Конвейерное выполне­ние команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;

· У модели 80286 и выше имелась возможность работы в вычислительной сетии возможность многозадачной работы(многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти.

· У модели 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти двух уровней (L1 и L2); обозначение F у кэш- памяти уровня L2 означает, что память работает на часто­те процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора;

· У модели 80486 и выше имеются RISC-элементы (см. ниже), позволяющие выполнять корот­кие операции за один такт.

· Процессоры моделей 80486DX и выше имеют встроенный математический сопроцес­сор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы процессора, все внешние по отношению к процессору схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой.

4. Архитектура RISC.

(Слайд 7)

В 1986 г. появились процессоры, основанные на архи­тектуре RISC.В литературе имеются разные расшифровки:Reduce Instruction Set Computing или Reduced Instruction Set Calculation— сокращенныйнаборкомандфиксированнойдлины. Эта архитектура была оптимизирована для суперскалярныхконвейерных вычислений (с возможностью выполнения нескольких команд одновременно).

RISC- процессоры используются для серверов и мощных приложений. Их система команд содержит огра­ниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого уп­рощаются схемы управления процессором и сокращаются его размеры. На кристалле освобождается место, которое используется для размещения кэш-памяти большого объема, что позволяет сократить количество обращений к основной памяти, а это приводит к повышению быстродействия ПК в 2-10раз, так как обращение к кэш-памяти, расположенной внутри чипа, требует меньших затрат времени. Для повышения произ­водительности RISC-процессоры обычно работают с машинными сло­вами очень большой длины (не менее 64 бит).

При необходимости выполнения более сложных команд в таком процессоре производится их автоматическая сборка из простых команд, которые имеют один размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится четыре такта).

Процессоры типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать(моделировать, имитировать) работу процессоров типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эф­фективной производительности.

Один из первых процессоров типа RISC — ARM (на его основе был создан ПК IBM PC RT) - 32 разрядный процессор, имеющий 118 различных команд. Современные 64-разрядныеRISC- процессоры выпускаются многими фирмами. К их числу относятся микропроцессоры SPARC и UltraSPARC фирмы Sun Microsystems, Alpha фирмы Compaq, MIPS фирмы SiliconGraphics, PA фирмы HewlettPackard.

Intel — модель Mersed(торговая марка Itanium) и Hewlett-Packard — модель McKinleyиспользуюттехнологию EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing — вычисления с явной параллельностьюинструкций). Отличия этой технологии от VLIW не­существенны, поэтому процессоры технологии EPIC можно отнести к группе VLIW.

ПроцессорMerced— первый процессор, использующий полный набор 64-битных ин­струкций (Intel Architecture-64, IA-64;именно эта технология называется EPIC).

IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. Она представляет собой новую архитекту­ру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication),устранение ветвлений (branch elimination),предварительнуюзагруз­ку данных (speculative loading) и другие функции для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Тем не менее, IA-64 — это ком­промисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существует два режима декодирования команд — VLIW и старый CISC. Программы автоматиче­ски переключаются в необходимый режим исполнения.