Вычислительная техника и микропроцессоры

1. Вычислительная техника и микропроцессоры Тема 4 32++ разрядные МП и МК и системы на их основе

2. Лекция 12 Содержание • Методы повышения производительности современных МП • Иерархия памяти МПС, организация кеш-памяти • Архитектура Pentium и др.

3. Тенденции развития микропроцессоров • Современный уровень развития микропроцессорной техники достиг такого уровня что, в течение 5 лет происходит смена двух-трех поколений микропроцессоров. • По прогнозам аналитиков (2004 года) к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет до 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд. оп/с.

4. 4.1 Методы повышения производительности МП и МПС Делятся на несколько групп • Технологические • Архитектурные • Уровня системы команд • Усовершенствование системных шин, многоуровневая организация памяти и.т.д.

5. 4.1 Технологические методы повышения производительности МП • повышение тактовой частоты, • увеличение числа транзисторов в кристалле, • увеличение числа слоев металлизации • Каждый из этих методов сталкивается со своими трудностями

6. Повышение тактовой частоты • Несмотря на рост быстродействия ключей, прекратился рост тактовых частот процессоров, хотя раньше это был синоним производительности.Остается только увеличивать число ядер - 2, 4, 8, 80, кто больше? • Несколько лет назад Intel штурмовала вершины тактовых частот, и в обиходе были цифры 10 ГГц и выше. В начале прошлого года снизили планку до 4-:-5 ГГц. Но прошел год, пропали упоминания и о 5 ГГц. • С некоторого времени существует тенденция, когда максимальная тактовая частота процессоров с переходом на более тонкие технологические процессы, по крайней мере, не растет. (См. таблицу).

7. Повышение тактовой частоты

8. Повышение тактовой частоты При переходе с 130нм на 90нм тех. процесс прирост тактовой частоты непропорционален, а при переходе с 90нм тех. процесса к 65 нм прироста вообще не было. Это бросается в глаза. • Еще одно явное подтверждение сказанного, Intel была вынуждена сообщить о снятии из своих планов производства процессора Pentium 4 с тактовой частотой 4ГГц. Это сделано не только по причине тепловыделения, но и из-за их нестабильной работы. • Вместо повышения тактовой частоты фирма применила многоядерность.

9. Помехи при повышении частоты • Помехи в цепях питания микросхем известны, это явление всегда рассматривалось с точки зрения помехоустойчивости узлов выполненных на быстродействующих интегральных микросхемах. • Появление чипов с сотнями миллионов ключей, каждый из которых имеет быстродействие на много порядков большее приобрело качественно новое значение. • Изменился не только уровень помехи, но она приобрела еще и энергетическую составляющую, расширился спектральный диапазон. Старыми методами проблема стала нерешаема.

10. Потребление мощности • Для увеличения скорости вычислений производители применили известный способ повышения производительности, используемый в серверах. Это параллельное вычисление на нескольких процессорах или многоядерных процессорах, что иногда является полным аналогом многопроцессорных серверов. Пока ядер 2 и 4. • И как предел стремления повысить производительность, это 80 ядерный чип представленный Intel. Он представляет собой 32-битный процессор, содержащий 100 млн. транзисторов, с рабочим напряжением питания 0,95В, работающий на частоте 3,16 ГГц и потребляющий 98 Вт. • После поднятия тактовой частоты до 4ГГц производительность возросла, но мощность превысила 120 Вт.

11. Увеличение числа транзисторов • Для увеличение числа транзисторов используются более совершенные технологические процессы с меньшими проектными нормами а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла. • Но при минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2 мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора быстро ухудшаются. При этом начинают проявляться эффекты квантовой связи и пр.

12. Ограничения • Снижение размера транзистора процессора ограничено: • Чисто технологическими сложностями, влияющими на стабильность и повторяемость структур процессоров. • Физическими закономерностями, ограничивающими минимальные размеры КМОП транзистора. • Помехами, генерируемыми процессорами. Верхняя граничная частота, которых растет со снижением технологических норм. Что в свою очередь приводит к саморазогреву структуры процессора.

13. Увеличение числа транзисторов • Проектная норма 0,05-0,1 мкм (50-100 нм) - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем. • Сейчас работы в области нанотехнологий ведутся в четырех основных направлениях: - молекулярная электроника; - биохимические и органические решения; - квазимеханические решения на основе нанотрубок; - квантовые компьютеры. • Три последних пребывают пока еще в значительной степени на уровне теоретических работ. Наибольшие практические результаты достигнуты в области молекулярной электроники.

14. Число слоев металлизации • Увеличение числа слоев металлизации (от 4-5 до 10-12)– тоже не панацея. Кстати, различные фирмы по-разному подходят к этой технологии.

15. 4.1 Архитектурные методы повышения производительности МП • Конвеерная обработка • Суперскалярная архитектура (Увеличение числа функциональных устройств) • Увеличение объема внутрикристальной памяти

16. Конвеерная обработка команд

17. Повышение степени внутреннего параллелизма Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ расширений системы команд и т.д.).

18. Упрощенная структура суперскалярного МП

19. Увеличение числа функциональных устройств (ограничения) • Основное препятствие на пути повышения производительности за счет увеличения числа функциональных устройств – это организация загрузки этих устройств полезной работой, которую можно проводить динамически путем исследования программного кода на стадии исполнения и статически на уровне компиляции программ. • Первый подход используется в суперскалярных микропроцессорах, второй – в микропроцессорах с длинным командным словом

20. Методы уровня системы команд • Команды, выбранные на исполнение, могут следовать друг за другом в неизменном порядке, определяемом при их выборке из памяти, либо их порядок может изменяться, позволяя исполнять команды, для которых готовы операнды. Внеочередное исполнение команд предполагает следующие механизмы: • переименование регистров с целью устранения ресурсных зависимостей «запись после чтения» и «запись после записи»; • предсказание переходов; • динамическое назначение команд на исполнительные устройства, включая изменение порядка исполнения по сравнению с порядком, в котором эти команды были извлечены

21. Увеличение объема внутрикристальной памяти Современное состояние микроэлектроники характеризуется растущим разрывом между скоростью обработки данных в микропроцессорах и быстродействием внешней оперативной памяти. Время выполнения однотактной команды микропроцессора на порядок меньше времени доступа к памяти вне кристалла. В таких условиях прибегают к построению многоуровневой иерархической памяти с использованием внутрикристальной кэш-памяти и применению мультитредовой архитектуры МТА, в которой задержка доступа в память в одном процессе «скрывается» за временем выполнения других процессов

22. Иерархия памяти в современных МПС Регистровый файл Кеш 1 уровня Кеш 2 уровня Основная память Внешние носители Флеш-память HDD CD/DVD FDD и др.

23. Разновидности кеш-памяти Существует несколько типов Кеш-памяти. По типу записи кеш может быть со сквозной записью, с обратной записью, либо комбинацией того и другого. При записи в кеш со сквозной записью обновляется как кеш-память, так и основная память; кеширование с обратной записью обычно обновляет только кеш-память. Кеширование с обратной записью обновляет главную память только при выполнении операции обратной записи, которая запускается при необходимости, например для распределения новых строк памяти в уже заполненном кеше. Операции обратной записи также запускаются механизмами, используемыми для поддержания непротиворечивости кеша.

24. Разновидности кеш-памяти По типу хранения наиболее сложным является ассоциативный кеш. Ассоциативная кеш-память имеет дополнительную область для каждого блока памяти, которая называется тегом. Когда в ассоциативную память передается адрес, каждый тег одновременно сравнивается с этим адресом. Если тег совпадает с адресом, то обеспечивается доступ к блоку памяти, связанному с этим тегом. Это называется кеш-попаданием. Если такое совпадение не произошло, то кеш сообщает о кеш-промахе. В случае кэш-промаха требуется дополнительный цикл шины для обращения в основную оперативную память.

25. Разновидности кеш-памяти Кеши в мультипроцессорных системах требуют особого рассмотрения. Если один процессор выполняет доступ к данным, кешируемым в другом процессоре, требуется обеспечить правильность принимаемых им данных. Если же он выполняет модификацию данных, то все остальные процессоры, обращающиеся к этим данным, должны верно принять модифицированные данные. Это свойство называется непротиворечивостью кеша. В многопроцессорных системах обеспечение непротиворечивости кеша может потребовать вмешательства со стороны системного программного обеспечения.

26. Параметры кеш-памяти

27. Pentium Pentium был первым CISC процессором использующим суперскалярную архитектуру. Pentium имеет два конвейера, которые могут выполнять две инструкции одновременно. Каждый конвейер имеет свое арифметическо-логическое устройство (ALU), совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэ­ширования данных.

28. Pentium Двойной конвейер Pentiumа выполняет простую команду за пять этапов: предварительная подготовка, первое декодирование, второе декодирование ( генерация адреса ), выполнение обратная выгрузка результата.

29. Упрощенная схема 32-разр х86

30. Pentium • u-конвейер — основной, выполняет все операции над целыми и вещественными числами; • v-конвейер — вспомогательный, выполняет только простые операции над целыми и частично над вещественными. Чтобы старые программы (для 486) в полной мере использовали возможности такой архитектуры, необходимо их перекомпилировать.

31. Особенности Pentium • 64-битная шина данных. Позволяет процессору Pentium обмениваться вдвое большим объемом данных с оперативной памятью, чем 486 за один шинный цикл (при одинаковой тактовой частоте). • Механизм предсказания адресов ветвления. Применяется для сокращения времени простоя конвейеров, вызванного задержками выборки команд при скачкообразном изменении счетчика адреса во время выполнения команд ветвления. Для этого в процессоре используется буфер адреса ветвления BTB (Branch Target Buffer), использующий алгоритмы предсказания адресов ветвления.

32. Особенности Pentium • В процессорах Pentium используется кэш-память первого уровня (кэш L1) объемом 16Кб, разделенная на 2 сегмента: 8Кб для данных и 8Кб для инструкций. По сравнению с 486 МП изменён и механизм кэширования. • Улучшенный блок вычислений с плавающей запятой (FPU, сопроцессор). • Cимметричная многопроцессорная работа (SMP).

33. IntelPentium II • процессор архитектуры x86, анонсированный 7 мая1997 года. Ядро Pentium II представляет собой модифицированное ядро P6 (впервые использованное в процессорах Pentium Pro). • Основными отличиями от предшественника являются увеличенный с 16 до 32 Кб кэш первого уровня и наличие блока SIMD-инструкций MMX (появившихся немногим ранее в Pentium MMX), повышена производительность при работе с 16-разрядными приложениями. • В системах, построенных на базе процессора Pentium II, повсеместное применение нашли память SDRAM и шина AGP.

34. Три основных направления • Начиная с Pentium II, Intel выделяет три основных направления в производстве процессоров: • Pentium – высокопроизводительный процессор для рабочих станций и домашнего применения, • Celeron – бюджетный вариант для офиса или дома, • Xeon – серверный вариант, обладающий повышенной производительностью.