Ответы, страница 4

множественный поток команд - один поток данных (Multiple Instruction - Simple Data, MISD);

множественный поток команд - множественный поток данных (Multiple Instruction - Multiple Data, MIMD).

Рассмотрим порядок исполнения инструкций обработки данных - выполнения арифметических или логических функций. Во многих случаях инструкция работает с парой операндов - операндом назначения dest (destination) и операндом-источником src (source). Традиционная схема действия инструкции: dest = F (dest, srс), где F - некоторая функция от двух переменных. Это означает, что при выполнении инструкции процессор извлекает из указанных в инструкции мест (регистр, память, константа в самой инструкции) пару двоичных чисел, и результат действия над ними записывает на место одного из них (dest). Для выполнения той же функции над следующей парой чисел требуется повторное исполнение инструкции, но уже с другой парой операндов.

Такой принцип исполнения естественен для базовой архитектуры процессоров х86. В процессоры Pentium, "под занавес" их развития, было введено расширение ММХ, направленное на ускорение обработки потоков и массивов данных. Ключевым в этом расширении стал принцип SIMD. Здесь вводятся новые упакованные форматы данных: в один регистр ММХ можно помещать не только один операнд (64-битное число), но и пару 32-битных, четверку 16-битных или восьмерку 8-битных чисел. Одна инструкция MMX выполняет однотипные действия сразу над всеми числами, упакованными в регистры ММХ, заданные операндной частью данной инструкции. Поначалу набор инструкций ММХ ограничивался целочисленной арифметикой и логикой, и он стал стандартом для всех современных процессоров х86. Позже появились расширения 3DNow! (от AMD) и SSE (от Intel) для чисел в формате с плавающей точкой, сильно различающиеся по набору инструкций.

Несколько слов о числах с плавающей точкой. Архитектура процессора 8086 позволяет выполнять арифметические функции (сложение, вычитание, умножение и деление) над целочисленными данными (знаковыми и беззнаковыми, двоичными и двоично-десятичными) разрядностью 8 или 16 бит. В процессорах 386+ можно обрабатывать и 32-разрядные числа. Для работы с числами в формате с плавающей точкой (представленными в виде мантиссы и порядка) предусмотрен математический сопроцессор.

Сопроцессор представляет собой набор 80-битных регистров и специализированное арифметическое устройство, которое кроме четырех арифметических действий способно вычислять значение квадратного корня, тригонометрических функций, логарифмов и степеней чисел. Сопроцессор может только перехватывать адресованные ему инструкции из потока команд, выполняемых центральным процессором. Все манипуляции с памятью выполняет центральный процессор. Сложные функции сопроцессора требуют довольно больших затрат времени, но во время их выполнения центральный процессор может продолжать выполнение инструкций, вплоть до момента появления следующей инструкции, адресованной сопроцессору. Однако эта эпизодическая параллельность вычислений не противоречит принципу последовательной передачи управления (самостоятельно сопроцессор передать управление не способен). При отсутствии сопроцессора его функции можно выполнять программно целочисленными средствами центрального процессора, но сопроцессор их выполняет в сотни и тысячи раз быстрее. Программная эмуляция сопроцессора может включаться прозрачно для прикладных программ, обращающихся к сопроцессору. Для этого используется механизм исключений.

История развития микропроцессоров

Термин "микропроцессор" был впервые употреблен в 1972 г., хотя годом рождения этого прибора следует считать 1971 г., когда фирма Intel выпустила микропроцессор серии 4004 - "интегральное микропрограммируемое вычислительное устройство", представляющее собой однокристальный центральный процессор, имеющий в своем составе 4-разрядный параллельный сумматор, 16 4-х - разрядных регистров, накапливающий сумматор и стек. Микропроцессор 4004 был реализован на 2300 транзисторах и мог выполнять 45 различных команд. Последующие поколения микропроцессоров, представляющие собой 8-, 16- и 32-разрядные устройства, появились соответственно в 1972, 1974 и 1981гг.

При оценке параметров микропроцессора и выборе микропроцессорной серии наибольшую роль играет разрядность прибора, которая задает элементарный объем обрабатываемых данных. Чем больше разрядность, тем выше производительность и шире возможности адресации. В ранних приборах разрядность регистров, шин управления, а также информационных шин почти всегда была одинаковой. Сейчас такая структура встречается редко. Например, микропроцессор Motorola 6800 имеет 32-разрядную внутреннюю архитектуру, 16-разрядную шину данных и 24-разрядную адресную шину (адресует до 16 Мбайт оперативной памяти). Для удобства такую архитектуру называют 32/16/24.

В настоящее время стремятся к большей разрядности, например делают полную 32-разрядную архитектуру (32/32/32).

Если считать, что выпуск предыдущих микропроцессоров должен прекращаться при появлении кристаллов с более высокой разрядностью, то 4-разрядные производились бы всего 1 год, 8-разрядные - 5 лет, 16-разрядные - 5 лет (табл.1.1).

Однако следует оговориться: 4-разрядные микропроцессоры производятся и применяются до настоящего времени.

В начале развития микропроцессоры изготовлялись по р-МОП технологии, затем специалисты стали отдавать предпочтение комплементарной МОП-технологии (КМОП) (технологии, используемые при изготовлении процессоров, будут рассмотрены ниже в подразделе 3.1). Теперь применяется множество разнообразных видов технологии и технологических приемов при изготовлении микропроцессоров: n-МОП технология с обогащением и с обеднением, биполярная технология, технология И2Л и др. Например, за первые 20 лет развития микропроцессорной техники в США зарегистрированы 237 технологических нововведений, из них 67 революционных.

Проследим историю развития микропроцессоров на примере семейства процессоров х86.

Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Частота - 5 Мгц, производительность - 0,33 MIPS для инструкций с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 000 транзисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 - тот же процессор, но с 8-разрядной шиной данных. С него началась история IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel, Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами, а также энтузиастами-одиночками. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совместимости - старые программы должны работать на новых процессорах. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру.

Процессор i80286, знаменующий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества - защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гбайт - не нашли массового применения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32 - Intel Architecture 32 bit) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память - 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены режим V86 и страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC; на его благодатной почве стал разрастаться "самый большой вирус" - Microsoft Windows с приложениями. С этого времени стала заметна тенденция "положительной обратной связи": на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре. Появляется более производительный процессор, но после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро признаются недостаточными, затем история повторяется. Этот "замкнутый круг", конечно, естественен, но есть обоснованное подозрение, что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, расслабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые работают на минимальных ресурсах - 8-разрядном процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ. С противоположными примерами большинство пользователей PC сталкиваются регулярно, но, имея процессор Celeron 533 и 64 Мбайт ОЗУ, на них не всегда обращают внимание.

История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32-разрядной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-разрядной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 80286.

Процессор Intel486DX появился в 1989 году. Транзисторов - 1,2 млн, технология 1 мкм. От процессора 80386 существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора - FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры х87). Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и другим. Тогда же Intel занялась энергосбережением, что отразилось и в линии 386 - появился процессор Intel386SL.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц - 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 процессор Pentium принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно, не означает возможности прохождения инструкции через процессор за полтакта). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с ошибкой в сопроцессоре. Хотя фирма Intel математически обосновала невысокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она (фирма, а не ошибка) все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на новые, исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм). 1996-й называют годом Pentium - появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался "динамическим исполнением", направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе разместили вторичный кэш, работающий на частоте ядра, - для начала объемом 256 Кбайт. Однако на 16-разрядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а кэш увеличен до 512 Кбайт.

В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia Extensions, мультимедийные расширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность Pentium ММХ на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты - 166, 200 и 233 МГц. Для мобильных применений (блокнотных ПК) процессоры под кодовым названием Tillamook выпускались по технологии 0,25 мкм, тактовая частота достигла 266 МГц при уменьшенной потребляемой мощности.