Краткая история и основные термины (Лекции (ещё одни))

Краткая история и основные терминыСовременные центральные процессоры (ЦП), выполняемые в виде отдельныхмикросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам,называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснилипрочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься какобыкновенный синоним слова «микропроцессор». (c 1980 года ЦП=микропроцессор)Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторыхсуперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенныена основе микросхем большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции.Изначально термин центральное процессорное устройство описывалспециализированный класс логических машин, предназначенных для выполнениясложных компьютерных программ.

Вследствие довольно точного соответствия этогоназначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, онестественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина иего аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-егоды. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократноменялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.Первые ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, идаже единственных в своём роде, компьютерных систем.

Позднее от дорогостоящегоспособа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственнойили нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеровперешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорныхустройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась вэпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов иминикомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной.Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП содновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация иминиатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на нихцифровых устройств в повседневную жизнь человека.

Современные процессоры можнонайти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и вавтомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чащевсего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройствана кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных,интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительныевозможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМдесятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.Архитектура фон НейманаБольшинство современных процессоров для персональных компьютеров в общемоснованы на той или иной версии циклического процесса последовательной обработкиданных, изобретённого Джоном фон Нейманом.Дж. фон Нейман предложил схему построения компьютера в 1946 году.Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже.

В различных архитектурах идля различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, дляарифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, вовремя которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительнойособенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данныехранятся в одной и той же памяти. В отличие от гарвардской архитектуры, в которойпрограммный код и данные хранятся в разной памяти. В Гарвардской архитектуреневозможны многие методы программирования. Например, программа не может вовремя выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять памятьмежду программным кодом и данными; зато гарвардская архитектура позволяет болееэффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она частоприменяется во встраиваемых системах.Этапы цикла выполнения:1.Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, нашину адреса и отдаёт памяти команду чтения.2.Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес икоманду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных исообщает о готовности.3.Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду(машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.4.Если последняя команда не является командой перехода, процессорувеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице)число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующейкоманды.Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда ипроизошло название устройства).Во время процесса процессор считывает последовательность команд,содержащихся в памяти, и исполняет их.

Такая последовательность команд называетсяпрограммой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считываниякоманд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адресследующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процессаможет служить случай получения команды останова или переключение в режимобработки прерывания.Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управлениякомпьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно.

Непроизводится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, непроверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял толькодопустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы ввиде необходимой программы.Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовымгенератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом дляцентрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.Конвейерная архитектураКонвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор сцелью повышения быстродействия.

Обычно для выполнения каждой команды требуетсяосуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды изОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ,выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляютодной 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.После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе надследующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицувремени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступенейзаймёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнениякаждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единицвремени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку,дешифровку и т.

д.), и для исполнения m команд понадобитсяединиц времени; прииспользовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m командпонадобится всего лишь n + m единиц времени.Факторы, снижающие эффективность конвейера:1.Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр.,адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).2.Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, топоследняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается прииспользовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution).3.Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблемуудаётся сгладить, используя предсказание переходов).Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, чтоувеличивает производительность процессора, однако приводит к большому временипростоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода).

Не существуетединого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могутиметь существенно различные требования.Суперскалярная архитектураСпособность выполнения нескольких машинных инструкций за один тактпроцессора путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этойтехнологии привело к существенному увеличению производительности. В то же времясуществует определенный предел роста числа исполнительных устройств, припревышении которого производительность практические перестает расти, аисполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы являются,например, технология Hyper Threading.CISC-процессорыComplex instruction set computer (CISC)— вычисления со сложным наборомкоманд.

Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд.Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя ужемного лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в началепроцесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации(МОП'ы), исполняемые RISC-ядром).RISC-процессорыReduced instruction set computer (RISC)— вычисления с упрощённым наборомкоманд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый»).Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд,характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количестварегистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, названиепридумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежатьзадержек на операциях условных и безусловных переходов.

Однородный набор регистровупрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Крометого, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC,SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARMпроцессоры.MISC-процессорыMinimum instruction set computer (MISC)— вычисления с минимальным наборомкоманд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принциппростоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. Впылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISCпроцессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительноймодели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).VLIW-процессорыVery long instruction word (VLIW) — сверхдлинное командное слово.