Процессор

Классические архитектуры

Архитектура Фон-Неймана

[Во время работы над IAS] Фон Нейман заметил, что программирование компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей — занятие медленное, утомительное и неудобное. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена и 9 выключены), может быть заменена параллельной двоичной арифметикой.

Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП). Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда прибавляла слово из памяти к аккумулятору или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти.

В чистой архитектуре фон Неймана процессор в каждый момент времени 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).

Принципы:

Однородность памяти: команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы.
Адресность: структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка.
Программное управление: все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.
Двоичное кодирование: вся информация, как данные, так и команды, кодируются цифрами 1 и 0.

Гарвардская архитектура

Принципы:

Неоднородность памяти: команды и данные хранятся раздельно, с асинхронным доступом к ним.
Адресность.
Программное управление.
Двоичное кодирование.

Компоненты процессора

Устройства ввода-вывода (УВВ) — передают данные с/на шину.
Устройство управления (УУ) — выбирает команды для выполнения с УВВ, передает арифметику и работу с данными на остальные компоненты.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ).
Запоминающее устройство (ЗУ) — регистры и кэш-память.

АЛУ

Арифметико-логическое устройство (arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора для выполнения простых арифметических и логических преобразований над данными.

Входные данные — операнды.

АЛУ

FPU (floating point unit) — блок выполнения операций с плавающей запятой.
AGU (address generation unit) — блок вычисления адресов в памяти.

Память

Регистр процессора — сверхбыстрая оперативная память внутри процессора.

Кэш-память — очень быстрая память небольшого размера, используется для уменьшения среднего времени доступа к оперативной памяти.

Архитектуры CISC и RISC

CISC

Complex Instruction Set Computer

Много команд на все случаи жизни.
Команды для сложных операций на несколько тактов.

Минусы:

Большое количество сложных команд отрицательно влияет на производительность.

RISC

Reduced Instruction Set Computer

Минимальный набор простых команд.
Высокая скорость выполнения.

Минусы:

Большое количество запускаемых команд (1 команда CISC ~= 4-5 команд RISC).

Принципы RISC

Все команды выполняются непосредственно аппаратным обеспечением.
Запуск как можно большего количества команд в секунду.
Команды должны легко декодироваться.
К памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения.
Регистров должно быть много.

Все команды должны выполняться непосредственно аппаратным обеспечением.

То есть обычные команды выполняются напрямую, без интерпретации микрокомандами. Устранение уровня интерпретации повышает скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько шагов, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает быстродействие машины, но может использоваться для редко применяемых команд.

Запуск как можно большего количества команд в секунду.

При этом, система должна выдерживать выполнение этих команд после запуска. Это достигается параллелизмом.

Команды должны легко декодироваться

Предел количества запускаемых в секунду команд зависит от темпа декодирования отдельных команд. Декодирование команд позволяет определить, какие ресурсы им необходимы и какие действия нужно выполнить. Все, что способствует упрощению этого процесса, полезно. Например, можно использовать единообразные команды с фиксированной длиной и с небольшим количеством полей. Чем меньше разных форматов команд, тем лучше.

К памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения

Один из самых простых способов разбить операцию на отдельные шаги — сделать так, чтобы операнды большей части команд брались из регистров и возвращались туда же. Операция перемещения операндов из памяти в регистры и обратно может осуществляться в разных командах. Поскольку доступ к памяти занимает много времени, длительность которой невозможно спрогнозировать, выполнение этих команд могут взять на себя другие команды, единственное назначение которых — перемещение операндов между регистрами и памятью. То есть к памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения

Регистров должно быть много

Так как запускается много команд на выполнение, их нужно где-то хранить.

Гибридная архитектура.

“Поздние” x86 процессоры (Intel Pentium 4, D, AMD Athlon, Phenom) — CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром.

CISC-инструкции преобразуются в набор внутренних RISC-команд.

Алгоритм работы процессора

Параллелизм

Конвейерная архитектура

Управляющее устройство состоит из нескольких блоков/ступеней. Каждый блок занимается своим типом задач. Когда блок выполнил задачу, он передает результаты следующему. Таким образом, управляющее устройство за один такт может совершать несколько действий.

Первая ступень (блок С1) вызывает команду из памяти и помещает ее в буфер, где она хранится до тех пор, пока не потребуется. Вторая ступень (блок С2) декодирует эту команду, определяя ее тип и тип ее операндов. Третья ступень (блок С3) определяет местонахождение операндов и вызывает их из регистров или из памяти. Четвертая ступень (блок С4) выполняет команду, обычно проводя операнды через тракт данных. И наконец, блок С5 записывает результат обратно в нужный регистр.

Суперскалярная архитектура

2 конвейера

VLIW

VLIW (very long instruction word) — архитектура процессоров с несколькими АЛУ.

Одна команда содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

Таксономия Флинна

SISD — обычная Фон-Неймановская машина без параллелизма.
SIMD — одни команды на всех процессорах, разные данные.
MISD — одни данные, разные команды для каждого процессора.
MIMD — команды и данные для всех процессоров разные.

Мультипроцессоры

Система из нескольких параллельных процессоров, имеющих общую память. Такие процессоры называются сильно связанными

Поскольку каждый процессор может записывать информацию в любую часть памяти и считывать информацию из любой части памяти, чтобы не допустить каких-либо нестыковок, их работа должна согласовываться программным обеспечением. Естественно, при наличии большого числа быстродействующих процессоров, которые постоянно пытаются получить доступ к памяти через одну и ту же шину, будут возникать конфликты. Чтобы разрешить эту проблему и повысить производительность компьютера, разработаны различные схемы. Например, каждый процессор имеет собственную локальную память, недоступную для других процессоров. Эта память используется для тех программ и данных, которые не нужно разделять между несколькими процессорами. При обращении к локальной памяти основная шина не используется, и, таким образом, объем передаваемой по ней информации становится меньше. Мультипроцессоры имеют преимущество перед другими видами параллельных компьютеров, поскольку с единой общей памятью легче и быстрее работать.

Мультикомпьютеры (кластеры)

Системы из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых есть собственная память.

Связать больше 256 процессоров с общей памятью − затруднительно. Многие разработчики отказались от идеи разделения памяти и стали создавать системы без общей памяти, состоящие из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется собственная память. Такие системы называются мультикомпьютерами. В них процессоры являются слабо связанными, в противоположность сильно связанным процессорам в мультипроцессорных системах. Процессоры мультикомпьютера отправляют друг другу сообщения. Каждый компьютер не обязательно соединять со всеми другими, поэтому обычно в качестве топологий используются двух- и трехмерные решетки, а также деревья и кольца. Хотя на пути до места назначения сообщения проходят через один или несколько промежуточных компьютеров, время передачи занимает всего несколько микросекунд.

Процессоры в таких системах являются слабо связанными (Loosely coupled).

Многопоточность

Способность процессора выполнять одновременно несколько потоков выполнения.

Поток выполнения — наименьший набор команд, который может выполняться (планироваться) независимо от других.

Многопоточность

Временная
Одновременная
Кластерная

Временная многопоточность

Крупнозернистая (Coarse-grained):

Временная многопоточность

Мелкозернистая (Fine-grained):

Одновременная многопоточность

Используется в процессорах с суперскалярной архитектурой. На этапе выполнения команд могут выполняться команды относящиеся к разным потокам.