Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Организация ЭВМ arrow
Характеристики и классификация основных устройств ЭВМ

Классификация процессоров по архитектуре

Типы архитектур процессора

Последняя из приведенных характеристик процессора — архитектура является самой сложной. Она включает в себя большое количество отдельных архитектурных признаков:

  • множество и разрядность шин (адреса, данных, управления, внутренних и внешних), множество управляющих сигналов;

  • количество ядер и других параллельно работающих блоков;

  • множество внутренних устройств (устройство с плавающей точкой, кэш и т. д.);

  • множество и разрядность регистров, группы регистров;

  • типы обрабатываемых данных;

  • система команд (группы команд, порядок выполнения команд, способы адресации).

По совокупности различных архитектурных признаков выделяется множество типов процессоров:

  • RISC (Reduced (Restricted) Instruction Set Computer) и CISC (Complex (Complete) Instruction Set Computer);

  • Гарвардской и Принстонской архитектуры;

  • со скрытым (implicit) параллелизмом (суперскалярные процессоры) и явным (explicit) параллелизмом (EPIC-процессоры);

  • процессоры с фиксированной и модифицируемой системой команд.

RISC- и CISC-процессоры

RISC (Reduced (Restricted) Instruction Set Computer) — компьютер (процессор) с сокращенным набором команд. У RISC-процессоров система команд меньше, команды более простые и выполняются быстрее. Однако программа для RISC-процессоров длиннее. Примеры RISC-процессоров — PowerPCкомпанииIBMи SPARC компании Sun Microsystems.

CISC(Complex(Complete)InstructionSetComputer) — компьютер (процессор) с полным (сложным) набором команд. УCISC-процессоров система команд больше, команды более сложные и выполняются медленнее, но программа для них короче. ПримерCISC-процессоров — семействоx86.

В принципе, можно было бы сделать процессор с еще более сложной системой команд, соответствующей, например, языку высокого уровня. Это было бы аппаратной реализацией языка высокого уровня. Но сейчас на практике так не делается, и языки высокого уровня "реализуются" программно, с помощью компиляторов и интерпретаторов. А сложные команды CISC-процессоров отображаются на микропрограммы, состоящие из микрокоманд.

Множество современных процессоров сочетает в себе свойства RISC- и CISC-процессоров, поскольку в процессе развития микропроцессорной техники в CISC-процессорах все больше появлялось элементов RISC, а в RISC, соответственно — CISC. Иллюстрацией этого являются процессоры Intel Pentium и IBMPowerPC.

Простые команды RISC-процессоров позволяют эффективно использовать для своего исполнения конвейер. Дополнительный уровень детализации команд в CISC-процессорах, микрокоманды, позволяет использовать конвейер и в этом типе процессоров. Микрооперации и конвейер — это и есть элементы RISC в CISC-процессорах.

В RISC-процессорах оптимизация исполняемого кода в основном выполняется компилятором. В CISC-процессорах с элементами RISC это сделать невозможно по причине того, что машинные команды таких процессоров далее в процессе выполнения распадаются на еще более мелкие функциональные единицы — микрооперации. Поэтому в них оптимизация осуществляется в основном во время исполнения программы самим процессором путем переупорядочивания микроопераций и распределения их по параллельным блокам. Несмотря на то, что эти процессоры с точки зрения программиста и с точки зрения проектировщика различаются очень сильно, это можно считать их преимуществом, поскольку программа, скомпилированная для конкретной модели процессора, будет эффективно выполняться и на других моделях. Поэтому и в RISC-процессорах появляются оптимизирующие элементы.

Гарвардская и Принстонская архитектура

Гарвардская архитектура характеризуется раздельной памятью команд и данных. Она была реализована в Гарвардском университете в компьютере MarkI.

Основным признаком Принстонской архитектуры является объединенная (смешанная) память команд и данных (что предоставляет широкие возможности по модификации команд). Она ассоциируется с архитектурой фон Неймана, который был профессором математики в Принстонском Институте сложных (специальных) исследований.

Многие современные процессоры сочетают также и эти типы архитектур. Например, процессоры x86 используют смешанные основную память и кэш второго уровня, но раздельный кэш первого уровня.

Суперскалярные и EPIC-процессоры

Последние два типа (со скрытым и явным параллелизмом) выделяются по признаку отражения в системе команд внутреннего параллелизма процессора.

Процессоры со скрытым (implicit) параллелизмом называются супескалярными. Суперскалярный процессор содержит не менее двух конвейеров. Конвейеры работают параллельно. Распараллеливание (распределение команд по конвейерам) происходит на аппаратном уровне. Команды суперскалярных процессоров не содержат в явном виде информации, касающейся параллельной обработки внутри процессора. Соответственно, компилятор не может оптимизировать программу для параллельной обработки. Пример суперскалярного процессора — Pentium.

Процессоры с явным (explicit) параллелизмом реализуют технологию вычислений под названиемEPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing). Распараллеливание происходит уже на уровне компилятора, поскольку команды в явном виде содержат информацию, касающуюся параллельной обработки внутри процессора. Это называется параллелизмом на уровне команд (ILP, Instruction-Level Parallelism). ПримеромEPIC-процессора является Intel Itanium.

Подклассом EPIC-процессоров являются процессоры с длинным командным словом (VLIW, VeryLongInstructionWord). Команды VLIW-процессора имеют специальные поля, содержащие информацию для каждого из параллельных обрабатывающих устройств процессора, предписывающую им определенные действия.

Система команд процессора. Процессоры с фиксированной и модифицируемой системой команд

По возможности изменения системы команд выделяют два типа процессоров:

  • процессор с фиксированной системой команд (с произвольной логикой);

  • процессор с модифицируемой системой команд (с возможностью микропрограммирования).

Большинство процессоров имеет фиксированную систему команд. Микропрограммируемые процессоры оснащаются управляющим запоминающим устройством, в котором хранится микропрограмма — встроенные программы, определяющие набор выполняемых команд. Микропрограммное управление дает гибкость в ущерб быстродействию, а также позволяет легче скорректировать ошибки в выполнении команд.

Многие современные процессоры сочетают и эти крайние архитектурные признаки. Например, Pentium— процессор с фиксированной системой команд, но в нем имеется также и ПЗУ микрокоманд. При этом благодаря использованию конвейера и других технологических решений, указанный недостаток микропрограммного управления снимается. А начиная с процессораPentium4 или микроархитектурыNetBurst, кэш-память команд первого уровня хранит уже не команды, а микрокоманды.

Во всех процессорах существуют следующие группы команд:

  • арифметические;

  • логические;

  • передачи данных;

  • передачи управления (ветвления, перехода);

  • управления процессором.

Команды специализированных процессоров поддерживают их специализацию.

Использование процессоров различной архитектуры в высокопроизводительных компьютерах

Наиболее известными в настоящее время семействами процессоров являются:

  • х86 — CISCс элементамиRISC;

  • Intel IA-64 (Intel Itanium) — EPIC;

  • IBM Power PC — RISC с элементами CISC;

  • Sun SPARC —RISC.

Регулярно, два раза в год, в июне и ноябре, составляется список пятисот наиболее производительных компьютеров в мире — рейтинг Top500 (табл.).

Табл. Рейтинг Top500 за последние четыре года

Intelx86

AMDx86

Intel IA-64

IBMPower

SPARC

ноябрь 2006

228

113

35

91

3

ноябрь 2007

333

79

21

61

1

ноябрь 2008

368

61

9

60

1

ноябрь 2009

396

42

6

52

2

Первое место в рейтинге Top500 за ноябрь 2009 занимает компьютерJaguar-CrayXT5-HEOpteronSixCore2.6GHz, который введен в эксплуатацию в 2009 году вOakRidgeNationalLaboratory. Его характеристики:

  • процессоры AMD x86_64 Opteron Six Core 2600 MHz;

  • 224162ядер производительностью по10.4 GFlops;

  • пиковая производительность 2331 TFlops;

  • максимально достигнутая реальная производительность 1759 TFlops;

  • операционная система Linux.

Второе место в рейтинге Top500 за ноябрь 2009 занимает компьютерIBMRoadrunner, разработанный в 2008 году и размещенный в Лос-Аламосской национальной лаборатории министерства энергетики США. Это был первый компьютер, достигший петафлопной производительности. Занимал первое место в рейтингеTop500 за ноябрь 2008 года.

Его характеристики:

  • 12960 процессоров PowerXCell8i3,2 ГГц и 6948 процессоровOpteronDC1,8 ГГц;

  • общее число ядер — 122400;

  • память — 80 Тбайт;

  • пиковая производительность 1375776 GFlops;

  • максимально достигнутая реальная производительность 1042 TFlops;

  • операционная система Linux;

  • занимаемая площадь — 560 кв. м;

  • масса — 227 т;

  • потребляемая мощность — 2,4 МВт;

  • стоимость — 100 млн. долл.

Самый мощный российский компьютер — "Ломоносов", установленный в МГУ им. М. В. Ломоносова, занимает двенадцатое место в данном рейтинге. "Ломоносов" имеет следующие характеристики:

  • модель — T-Platforms T-Blade2;

  • процессоры — Xeon 5570 2,93 ГГц;

  • количество ядер — 35360;

  • пиковая производительность — 414,42 Тфлопс;

  • максимально достигнутая реальная производительность — 350,1 Тфлопс.

 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ СКАЧАТЬ   След >
 

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ
Характеристики и классификация основных устройств ЭВМ