Перечень, сферы применения и принципы устройства процессоров в зависимости от набора команд

Содержание:

Введение

Процессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор, (CPU – CentralProcessingUnit) который исполняет основную программу. В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным

Процессоры. Назначение. Основные характеристики.

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно - управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• Полная система команд переменной длины – ComplexInstructionSetComputer (CISC);
• Сокращенный набор команд фиксированной длины - ReducedInstructionSetComputer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC – процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду, наиболее подходящую ему данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC – архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC – архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Поколение процессора

В IBM-совместимых ПК применяются процессоры (CPU – CentralProcessorUnit), совместимые с семейством 80х86 фирмы Intel. В оригинальной IBMPC использовался процессор 8088 с 16-разрядные (386,486, Pentium, PentiumPro) и с 64-разрядным расширением MMX, включают в себя подмножества системы команд и архитектуры нижестоящих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Несмотря на то что с 1995 – 96 годов «рядовым» процессором стал Pentium, обрастающий всякими расширениями, процессор 8088 заслуживает отдельного внимания, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, с него-то и началось массовое PC-строение, в том числе и в нашей стране (хотя всемирный «бум» пришелся на процессоры 80286). Во-вторых, из знания его характерных свойств приходит понимание ряда особенностей процессоров, в том числе пятого и шестого поколения.

Процессоры от 8088 до Pentium, применяемые в PC, являются однокристальными микропроцессорами – собственно процессор располагается на одном кристалле в одном корпусе (микросхеме). Процессор Pentium2,строго говоря, однокристальным не является – здесь кристалл процессора и несколько кристаллов вторичного кэша собраны на общем картридже, хотя для потребителей это не так и существенно – все функции выполняют одно изделие. В зависимости от сложности процессора (числа выводов), его рассеиваемой мощности и назначения применяются различные типы корпусов:

-DIP – DualIn- linePackage, керамический корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов;

-PGA – PinGridArray, керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

-PQFP – PlasticQuadFlatPack, пластиковый корпус с выводами по сторонам квадрата;

-SPGA – StaggeredPGA, корпус с шахматным расположением выводов;

-SQFP – SmallQuadFlatPack, миниатюрный корпус с выводами по сторонам квадрата

-PPGA – PlasticPinGridArray, термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA;

-TCP – TapeCarrierPackage, миниатюрный корпус с расположенными по периметру ленточными выводами;

-S.E.C.C. – SingleEdgeConnectorCartridge, картридж процессора Pentium 2 – печатная плата с краевым разъездом, на котором смонтированы кристаллы процессора, кэш-памяти, охлаждающий радиатор и вентилятор.

Процессоры в корпусах DIP занимали много места, на их смену пришли компактные корпуса PGA, PPGAи SPGA, которые обычно устанавливаются в ZIFsocket (ZeroInsertionForce) – колодка (сокет) с нулевым усилием вставки. Корпуса PQFP, SQFP предназначены для установки в специальные колодки или припаивания к плате. Самые компактные из много контактных, корпусах ТСР предназначены для припаивания к системной плате портативных систем.

Области применения процессоров

Такое многообразие процессоров, какое предлагается корпорациями Intel, AMD и многими другими, определяется не только их рекламными амбициями и конкурентной борьбой, как может показаться неискушенному пользователю. Тут, если заглянуть в суть вопроса, дело заключается в том, что современная цивилизация не может отказаться от применения компьютерных технологий, а т. к. невозможно подровнять всех под одну гребенку -делать один универсальный процессор для всех, то потребителям предлагается выбор из нескольких вариантов процессоров в зависимости от сферы применения. И это, заметим, правильно, т. к. нельзя заставлять химика или журналиста, прежде чем он купит компьютер, изучать очень специфичную техдокументацию на процессоры и пр.
В мировой практике принято подразделять процессоры на группы, предназначенные для того или иного применения. Опять-таки обратимся к тому, как позиционирует свои процессоры корпорация Intel. Правда, мы рассмотрим не текущие конфигурации, а предложения корпорации Intel для будущего применения, т. е. то, что станет обыденным через пару лет (хотя все может и измениться). Кроме того, обратите внимание, что производительность определяется не только гигагерцами, о которых так много говорят. Можно даже сказать — если нужна надежная работа, то надо выбирать не самый супергигагерцовый процессор новейшего поколения, а скромную и всесторонне опробованную модель.

• Массовые производительные настольные ПК. Для них главный фактор -цена. В этих конфигурациях рекомендуется использовать процессор Pentium 4 с тактовой частотой от 2 ГГц. Системная шина (линия обмена данными с внешней памятью) должна использовать частоту 400 МГц. Для системных плат предлагаются наборы микросхем (чипсет, см. гл. 4) Intel 845 и 850. Как видите, проблемы кэша и другие специфичные параметры, влияющие на производительность, не оговариваются, как для прочих групп.
• Рабочие станции начального уровня — это рабочие лошадки небольших предприятий, где каждый рубль на счету, и требуется надежная и безупречная работа. Для них также предлагается процессор Pentium 4 с тактовой частотой 2—2,2 ГГц. Но вот уже оговаривается применение кэша 2-го уровня объемом не ниже 256 Кбайт. Для таких конфигураций вполне подойдет набор микросхем Intel 850.
• Рабочие станции среднего уровня — компьютеры, на которых приходится запускать не только стандартные офисные пакеты, а раз так, то уже предлагается процессор Itanium 800 МГц с кэшем объемом 2 Мбайт или процессор Intel Xeon 2—2,2 ГГц. Набор микросхем, соответственно, уже другой — Intel 460 или 860.
• Рабочие станции высшего уровня — компьютеры, на которых, например, нужно работать с профессиональной графикой, обрабатывать большие объемы мультимедийных файлов и пр., что требует значительных ресурсов компьютера. В этом случае рекомендуется процессор Itanium 800 МГц или 1 ГГц, оговаривается кэш 3-го уровня с объемом 3—4 Мбайт, также хорошо подойдет процессор Intel Xeon 2 ГГц. Набор микросхем Intel 860 или другой с расширенными функциями.
• Серверы начального уровня — это компьютеры, которые обычно не стоят на рабочих столах пользователей, т. к. они предназначены для удаленного многопользовательского применения. От таких компьютеров требуется надежная работа в любое время суток, т. е. для них выключение питания или перезагрузка операционной системы — чрезвычайное событие, можно сказать — авария. Хотя, опять-таки, предлагается использовать процессор Intel Xeon с тактовой частотой 2—2,2 ГГц, но вот набор микросхем для них желателен Intel E7500. Также рекомендовано использование процессора Pentium III с тактовой частотой 1,26 ГГц.
• Серверы среднего уровня — фактически, это предыдущий вариант, но для предприятий с несколькими территориально разнесенными подразделениями. Для них предлагается процессор Intel Xeon с тактовой частотой 1,4 ГГц или выше с кэшем 3-го уровня объемом 512 Кбайт. В качестве другого варианта — процессор Itanium 800 МГц или 1 ГГц с кэшем 2— 3 Мбайт, для которого можно использовать набор микросхем Intel 460.
• Серверы высшего уровня — это компьютеры для массового обслуживания большого числа пользователей. Для них предлагается использовать процессор Itanium с тактовой частотой 800 МГц или 1 ГГц с кэшем 3-го уровня объемом 3—4 Мбайт и набор микросхем Intel 460 либо процессор Intel Xeon МР с тактовой частотой 1,4—1,6 ГГц и кэшем 3-го уровня объемом 1 Мбайт.
• Производительные мобильные ПК — это ноутбуки для профессионального использования в бизнесе и науке. Для таких применений требуются процессоры для мобильных систем — Intel Pentium 4-М с тактовой частотой 1,2—1,7 ГГц или Pentium III-M с тактовой частотой 1,2 ГГц. Наборы микросхем должны поддерживать функции энергосбережения, а это Intel 830М/МР и Intel 845MP/MZ.

Классификация процессоров по системе команд

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры подразделяются:

1. классические процессоры CISC (Complex Instruction Set Computing) - процессор с полным набором команд, выполняющий до 400 машинных инструкций.

Семейство микропроцессоров 80х86, поддерживаемых фирмами Intel, AMD, Cyrix и NEC, являются CISC-процессорами.

Процессоры CISC c исторически сложившейся архитектурой, в которой, в силу требований совместимости с предыдущими поколениями, накоплено множество команд, специализированных регистров и концепций.

2. Процессоры RISC (Reduced Instruction Set Computing) - с сокращенным набором команд.

Процессор RISC - процессор, в котором:

• реализован упрощенный набор команд, имеющих одинаковую длину;
• большинство команд выполняются за один цикл процессора;
• отсутствуют макрокоманды;

Архитектура RISC ассоциируется с новыми технологиями, высокопроизводительными серверами и узкоспециализированными рабочими станциями.

RISC и CISC - это некие идеализированные концепции. Реальные же микропроцессоры классифицировать очень трудно. В последнее время производители используют одни и те же технологии и схожие инженерные решения. Граница проводится больше из исторических соображений и с каждым годом размывается все сильнее.

3. Процессоры MISC - c минимальным набором длинных команд.

4. Процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд.