РК №2

1. Классификация процессоров.

• Универсальные

• Функциональные – содержат несколько различных операционных блоков или специальных процессоров

• Стековые - это устройства автоматической обработки информации, в которых сверхоперативная память реализована в виде стека

• Конвейерные - используются для увеличения производительности ЭВМ. При этом все микрооперации, выполняемые в процессоре команд, разбиваются на К фаз и каждая выполняется в специальном блоке.

• Векторные - предназначены для обработки данных, представленных в матричной форме. Все сводится к манипуляции строк и столбцов определенной матрицы.

• Матричные - используются для обработки больших массивов матричной информации, когда необходимо выполнение одинаковых операций над множеством пар операндов

• Ассоциативные - представляют собой векторный или матричный процессор, имеющий ассоциативные возможности по переработки информации. Строится на базе ассоциативного ЗУ

1. Типовая архитектура универсального процессора.

1. Структура процессоров с одной и тремя внутренними шинами.

Процесс выполнения команды:

• Пересылка слова данных из одного регистра в другой или во входной регистр АЛУ

• Выполнение самой арифметической или логической операции и результат сохраняется в выходном регистре АЛУ

• Выборка содержимого регистра адреса и загрузка его в ЦП

• Сохранение слова данных из регистра в память по соответствующему адресу

Имеют 3 порта:

2 выход коммутируются

На А и В они могут одновременно загружать данные на шины, также с С можно загружать данные в том же такте. Кроме того АЛУ не вычисляет адреса.

1. Функциональные и стековые процессоры.

Функциональные процессоры содержат несколько различных операционных блоков или специальных процессоров. Применяются в специальных вычислительных машинах (станки с ЧПУ). Обладают высоким быстродействием и низкой стоимостью. В операционном блоке выделяют отдельное сверхоперативное ЗУ и отдельно блоки арифметических операций.

Стековые процессоры – это устройства автомат. обработки цифровой информации, в которых сверхоперативная память реализована в виде стека.

1. Конвейерные и векторные процессоры.

Конвейерные процессоры использовались для увеличения производительности ЭВМ. При этом все микрооперации, выполняемые в процессоре команд, разбивались на К фаз, каждую из которых выполнялась в специальном блоке.

Идея заключалось в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением промежуточных результатов.

Это позволило в одно и тоже время получать инструкции самой медленной стадии обработки, но и быстрой, чем при выполнении каждой инструкции от начала и до конца.

Преимущества:

• Время цикла уменьшается, что увеличивает скорость обработки

• Некоторые комбинационные элементы, такие как сумматоры и умножители могут быть ускорены путем увеличения логических элементов. Использование конвейера предотвращает ненужное наращивание количества элементов.

Недостатки:

• Бесконвейерный процессор исполняет только одну инструкции за такт. Это предотвращает задержку стадий инструкций и не возникает проблемы с инструкциями, связанными друг с другом.

• Производительность конвейерного процессора предсказать сложно и она может различаться в разных программах.

Векторные процессоры – предназначены для обработки данных, представленных в матричной форме. Все сводится к манипуляции со строками и столбцами определенной матрицы.

1. Конвейерные и матричные процессоры.

См. вопрос №5

Матричные процессоры:

Используются для обработки больших массивов матричной информации, когда необходимо выполнение одинаковых операций над множеством пар операндов.

1. Ассоциативные процессоры.

Представляют собой векторный или матричный процессор, имеющий ассоциативные возможности по переработки информации. Строится на базе ассоциативного ЗУ.

1. Архитектура ядра процессора Pentium-4. Конвейерная обработка.

См. вопрос №5.

Особенности:

• Гарвардская структура разделений команд и данных

• Конвейерное исполнение команд

• Суперскалярная архитектура (20 конвейеров)

• Предсказания ветвления и переход по нему

• Динамическое изменение последовательности команд

Буфер совершенных переходов (емкость 4096) разработан для обеспечения вероятностного расчета переходов. Это позволило увеличить вероятность до 90%.

1. Принцип работы конвейера в суперскалярных процессорах. Причины простоя конвейера.

См. вопрос №5.

1. Технология предсказания переходов при конвейерной обработке команд в процессоре.

1. Назначение и разновидности регистров на примере процессорного ядра Pentium-4.

• Системные регистры процессора

  • Регистры данных

  • Регистр-аккумулятор

  • Регистр вершины стека

  • Счетчик повторений

  • Индексные регистры

• Адресные регистры

  • Базовый регистр

  • Указатель стека

  • Указатель базы

• Регистры для сегментации и страничной организации памяти

• Регистры флагов

  • Регистр PSN

1. Различие между фон-неймановской и гарвардской архитектурой процессоров.

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одновременно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. Оба действия одновременно происходить не могут, поскольку инструкции и данные используют один и тот же поток (шину).

В компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных одновременно, без использования кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой при определенной сложности схемы быстрее, чем компьютер с архитектурой фон Неймана, поскольку шины инструкций и данных расположены на разных, не связанных между собой физически, каналах.

Исходя из физического разделения шин команд и данных, разрядности этих шин (следовательно, и адресные пространства) могут иметь различные значения и физически не могут пересекаться друг с другом.

1. Назначение и типы кэш-памяти центрального процессора.

Кэш-память представляет собой организованную в виде ассоциативного запоминающего устройства быстродействующую буферную память ограниченного объема. Она разделена на блоки одинакового объема. В процессе работы отдельные блоки информации Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (логических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).

Увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность почти всех приложений.

• Память с прямым отображением

• Полностью ассоциативная память

• Множественно ассоциативная память

1. Типы кэш-памяти и различия в их организации работы.

• Память с прямым отображением

• Полностью ассоциативная память

• Множественно ассоциативная память

Память с прямым отображением:

Каждая строка ОЗУ имеет только одно фиксированное место, на котором она может находиться в кэш-памяти. Кэш-память разделена на 2 части: память тегов и память данных. Память данных состоит из 128 блоков, каждый блок содержит 16 слов. Емкость кэш памяти составляет 2К слов.

Полностью ассоциативная память:

Каждая строка ОЗУ может располагаться в любом месте такой кэш-памяти. Выполнение сохранений в КП информации проводится лишь после ее полного заполнения. Организация поиска сложна. Память тегов реализуется как ассоциативная, т.е. обращение к ней производится не по адресу, а по некому ключу. Между теговыми регистрами и регистрами данных существует однозначная связь.

Множественно ассоциативная память:

Компромиссом между этими двумя способами организации служит множественно ассоциативная КП.

Осуществляется разделение блоков кэш-памяти и соответствует основной памяти на ряд множеств. Для блоков ОП относящихся к одному множеству реализуется принцип прямого отображения.

В свою очередь принцип отображения блоков ОП на блоки кэш-памяти внутри выбранного множества являются ассоциативным. ОП состоит из 32 множеств по 512 блоков в множестве.

1. Методы синхронизации содержимого кэш-памяти в мультипроцессорных системах.