Понятие процессора. Сравнительный анализ архитектур

процессор – это главная микросхема компьютера, его 'мозг'. Он выполняет программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистры помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных для их последующего выполнения.

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Основными характеристиками процессоров являются: разрядность и быстродействие.
Быстродействие – это параметр, показывающий количество тактов, выполняемых процессором в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц), 1 МГц = 1 000 000 тактов в секунду. Чем данный параметр выше тем быстрее процессор.
Разрядность – это параметр который является важным для таких устройств компьютера, как внутренние регистры, шина ввода вывода данных, шина адреса памяти.

 

Сравнительный анализ архитектур SMP и MPP

SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами.

MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена.

Сравнительный анализ данных архитектур рассмотрен в таблице 1.

	smp	mpp
1. общая память 2.исполн. память 3.стоимость 4. маштабируемость	+ + + -	- - - +

 

Отсутствие общей памяти в MPP архитектуре значительно снижает скорость межпроцессорного обмена, в отличие от SMP архитектуры, в которой общая память присутствует.

Каждый процессор в MPP архитектуре может использовать только ограниченный объем банка памяти, в то время,как процессор в SMP архитектуре охватывает полный объем.

В следствии недостатков MPP архитектура трудно реализуема, что приводит к значительным затратам, реализация SMP архитектуры, напротив, больших затрат не требует.

Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость: в отличие от SMP-систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров.

 

 

Архитектура фон Неймана

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

 

 

конвейерная архитектура (англ. pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-Iсодержит четыре стадии:

· получение и декодирование инструкции,

· адресация и выборка операнда из ОЗУ,

· выполнение арифметических операций,

· сохранение результата операции.

Технология Hyper - threading, принципы работы.

Hyper - threading — торговая марка компании Intel для разработанной ею реализации технологии «одновременной мультипоточности» в процессорахна микро архитектуре NetBurst. Расширенная форма супер поточности, впервые появившаяся в процессорах Intel Xeon и позднее добавленная в процессоры Pentium 4.

Эта технология увеличивает производительность процессора при определённых рабочих нагрузках путём предоставления «полезной работы» исполнительным устройствам, которые иначе будут бездействовать.

Принцип работы

В процессорах с использованием этой технологии каждый физический процессор может хранить состояние сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие двух логических процессоров (англ. Logical processor). Физически у каждого из логических процессоров есть свой набор регистров и контроллер прерываний (APIC), а остальные элементы процессора являются общими. Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха, ошибки предсказания ветвлений, ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ждёт, например, данные из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса

 

Технология Hyper Transport, принцип работы.

 

HyperTransportBus (системная шина) – высокоскоростная, двунаправленная системная шина по принципу точка-точка, разработанная для соединения низко скоростных системных шин, компонентов компьютеров, серверов, сетевых центров и телекоммуникационного оборудования, предоставляя до 48x прирост скорости.

Помогает сократить количество шин в системе и используется чаще всего в ПК, для соединения с контроллёром иоперативной памятью

, позволяя им работать быстрее в одной среде и с меньшими задержками ввода-вывода. Очень часто шина используется и для соединения ядер процессора между собой.

При разработке, основными критериями были:

· o Скорость передачи данных должна быть выше, чем у конкурентов.

· o Низкие задержки ввода-вывода и малое количество контактов.

· o Совместимость с самыми распространёнными шинами входящими в SNA.

· o Без проблемное распознавание операционными системами.

.Используется в продуктах компаний AMD, Transmeta (X86); VIA, NVidia, SiS, Apple, HP (лицензия для производства системной логики); Broadcom, Raza-Microelectronics (MIPS- архитектура процессоров); HP, SUN, DELL, IBM (для серверов); компания Cisco к примеру, использует данную шину в маршрутизаторах.

Основное применение шина HyperTransport нашла в качестве процессорной шины. Являясь гибко масштабируемой и совместимой со всем распространёнными периферийными шинами, стала основной для платформ с процессорами производства AMD. Даже конкурирующая с AMD компания Intel, в своё время купила права на использование HyperTransport, так как некоторые технологии передачи в их собственных шинах могли идти вразрез с патентами конкурента.

Описание принципа работы: Шина является последовательной. Скорость передачи зависит от двух параметров – ширины шины и частоты её функционирования. Шина, кроме передачи самих данных, может использоваться для передачи прерывания, служебных, системных и конфигурационных сообщений.

Шина может работать в двух режимах: Posted и Non-Posted. Первый обычно используется в настольных потребительских системах (для DMA-передачи к примеру) и обеспечивает максимальную скорость передачи данных. Posted операция записи просто посылает пакет с данными на определённый адрес, данные записываются и на этом всё. Non-Posted подразумевает передачу данных на определённый адрес, а после успешной записи в обратном направлении отправляется пакет с подтверждением успешной записи. Данный тип записи работает значительно медленней, но исключает возникновение ошибок передачи. Потому он используется преимущественно в серверных, научных, высокоточных машинах.

Шина поддерживает энерго-сберерегающие режимы, предусмотренные в ACPI. А именно – C / D - state.

 

Версии шины искорость работы: 2001-2002 год - 1.0 и 1.1 версии, работают на частоте до 800 МГц и имеют максимальную скорость 12.8 Гб/с. 2004 год – 2.0 версия, имеет частоту функционирования до 1400 МГц и пропускную способность до 22.4 Гб/с. 2006 год – 3.0 версия, частота до 2600 МГц, скорость передачи данных до 41.6 Гб/с. 2008 год – 3.1 версия, частота до 3200 МГц, скорость передачи данных до 51.6 Гб/с.