Arhitectura 2.1 Von Neumann
Cele mai multe procesoare moderne pentru calculatoare personale, în general, se bazează pe o anumită versiune a unui prelucrare a informațiilor secventiala proces ciclic, inventat de John von Neumann.
J. von Neumann a inventat schema de construcție a computerului în 1946.
etapele critice ale procesului sunt prezentate mai jos. Arhitecturi diferite, precum și măsuri suplimentare pot fi necesare pentru diferite echipe. De exemplu, accesul de memorie suplimentară poate fi necesară pentru instrucțiuni aritmetice, în timpul căreia operanzi sunt citite și înregistrează rezultatele. O trăsătură distinctivă a arhitecturii von Neumann este faptul că instrucțiunile și datele sunt stocate în aceeași memorie.
Comenzile CPU sunt cel mai scăzut nivel de control al computerului, astfel încât performanța fiecărei echipe va inevitabil și necondiționat. Nr de verificare privind admisibilitatea acțiunilor efectuate, în special, nu verifică posibila pierderea de date valoroase. Pentru calculatorul pentru a efectua numai comenzi de acțiune valide trebuie să fie organizate în mod corespunzător sub forma programului dorit.
2.2 Pipeline Arhitectura
După eliberarea etapei k a conductei, ea devine imediat să lucreze la următoarea echipă. Presupunând că fiecare etapă a timpului unitatea de conducte cheltui pe munca sa, executarea instrucțiunii de pe lungimea transportorului în n etape ia n unități de timp, dar în cazul cel mai optimist, ieșirea din fiecare dintre următoarele comenzi vor fi obținute prin fiecare unitate de timp.
Într-adevăr, în absența comenzii ia transportorului n unități de timp (de la comanda pentru încă trebuie să fie incluși în eșantion, decodare, etc ...), și unitățile de timp necesare pentru executarea de comenzi m; folosind un transportor (în cazul cel mai optimist) pentru efectuarea m comenzi au nevoie doar de n + m timp de unități.
arhitectura 2.3Superskalyarnaya
Capacitatea de a efectua mai multe instrucțiuni mașină pe ciclu de ceas. Apariția acestei tehnologii a condus la o creștere substanțială a productivității.
Complex Instruction Set Computer - calcularea set de instrucțiuni complexe. arhitectura de procesor, în funcție de complexitate; set de instrucțiuni. reprezentanții tipice ale CISC este o familie de procesoare Intel x86 (deși pentru mulți ani, aceste procesoare sunt CISC doar sistem de comandă extern).
Instruction Set Computer minim - calculare cu un set minim de comenzi. Dezvoltarea în continuare a ideilor echipei Chuck Moore, care crede că principiul simplității, originalul pentru RISC-procesor, și-a retras prea repede în fundal. În căldura de lupta pentru performanță maximă, RISC a depășit multe procesoare CISC în complexitate. Arhitectura MISC se bazează pe un teanc de modele de calculator, cu un număr limitat de comenzi (aproximativ 20-30 de echipe).
2.7 Arhitectura paralelă
Arhitectura von Neumann are dezavantajul că este consecvent. Care ar fi o cantitate foarte mare de date necesare pentru a procesa orice, in fiecare octet va trebui să treacă prin CPU, chiar dacă peste toți biții necesare pentru a efectua aceeași operațiune. Acest efect se numește un gât îngust de von Neumann.Pentru a depăși acest dezavantaj, au fost propuse și includ arhitectura de procesoare, care sunt numite paralele. procesoare paralele sunt utilizate în supercomputere.
Posibilele exemple de realizare ale unei arhitecturi paralele poate servi (Flynn de clasificare):
-
SISD - singură instrucțiune, flux de date unică;
SIMD - un flux de instrucțiuni, o mulțime de fluxuri de date;
MISD - multe echipe cursuri de apă, un flux de date;
MIMD - o mulțime de echipe fluxuri o mulțime de fluxuri de date.
CPU 3. COMPOZIȚIE
Unitatea centrală de procesare conține în general:
3.1 Arithmetic Logic Unit
O unitate logică aritmetică (ALU), - partea centrală a CPU care efectuează operații aritmetice și logice.
ALU este format din registre, vipere și circuite logice corespunzătoare a efectua controlul procesului. Aparatul funcționează în conformitate cu el nume (coduri) operațiuni care sunt în nevoie de redirecționare a datelor care urmează să fie efectuate pe variabile sunt plasate în registre spune.
Pe magistrala placii de baza poate consta, de asemenea, dintr-o multitudine de conductoare ce se extind paralele prin toate datele utilizatorilor (de exemplu în arhitectura IBM PC).
Caracteristica principală a magistralei de date este lățimea în biți. Lățimea magistralei de date determină cantitatea de informații care pot fi transferate într-un singur ciclu.
Lățimea magistrală de date determinată de procesorul bit (CPU)
registru procesor - memorie ultrarapide în cadrul procesorului destinat în principal pentru stocarea rezultatelor calculelor intermediare (registrului general / registru de date), sau care cuprinde datele necesare pentru procesor - tabelele de baza de offset, nivelurile de acces etc. (Registre speciale) ...
Registrul este un circuit electronic digital care servește pentru stocarea temporară a numerelor binare. Procesorul are un număr mare de registre, dintre care majoritatea sunt utilizate de către procesorul și nu este accesibilă programator. De exemplu, atunci când eșantionarea următoarea instrucțiune din memorie, acesta este plasat în registrul de instrucțiuni. Programator pentru a accesa acest registru nu se poate. Există, de asemenea, înregistrează faptul că, în principiu, software-ul este disponibil, dar sunt accesate din software-ul sistemului de operare (cum ar fi registrele de control și a registrelor umbra de descriptori segment). Aceste registre sunt în principal dezvoltatorilor de sisteme de operare.
Accesul la valorile stocate în registre, de regulă, de mai multe ori mai rapid decât accesul la celulele de memorie (chiar dacă memoria cache conține datele dorite), dar cantitatea de memorie RAM este mult mai mare decât suma volumului registrelor (volumul modulului mediu de RAM astăzi este de 1 GB - 4 GB [1], totalul "capacitate" registre de uz general / date pentru procesor Intel 80x86 16 biți * 4 = 64 biți (8 octeți)).
3.4 Contorul de program
În cele mai multe procesoare, după executarea comenzii în cazul în care nu încalcă secvența de comandă (de ex. Echipa de tranziție), contorul este incrementat automat (post-incrementare). Conceptul instrucțiunii contra este puternic asociat cu arhitectura von Neumann, unul dintre principiile de care este executarea de comenzi, una după alta în ordine.
Cache (Engl cache, de la cacher Franceză - .. Ascunde) - un tampon de acces rapid intermediar care conține o copie a informațiilor stocate în memorie cu acces mai puțin rapidă, dar pot fi solicitate cu cea mai mare probabilitate. Accesul la datele din memoria cache este mai rapid decât datele originale eșantion din memoria lentă sau recalculare, din cauza care scade timpul mediu de acces.
cache CPU
Mai multe modele de unități centrale de procesare (CPU-uri) au propriile lor cache-ul, în scopul de a reduce la minimum memoria de acces (RAM), care este mai lent decât registre. O memorie cache poate genera câștiguri semnificative în productivitate, în cazul în care frecvența de ceas este mult mai puțin RAM ceas CPU. Frecvența de ceas pentru memoria cache este, de obicei, puțin mai mică decât frecvența procesorului.
cache-ul procesorului este împărțit în mai multe niveluri. Pentru procesoare de uz general - până la nivelul 3 cache N + 1 sunt în general mai mari ca dimensiune și manipulare și de transfer de date de viteză mai lent decât nivelul cache N.
Cea mai rapidă memorie este un cache de primul nivel - L1-cache. De fapt, aceasta este o parte integrantă a procesorului, deoarece este situat pe un singur cip, și cu ea o parte a blocurilor funcționale. Acesta constă dintr-un cache de memorie cache de instrucțiuni și de date. Unele procesoare fără cache L1 nu poate funcționa. Pe de altă parte poate fi dezactivat, dar performanța procesorului scade semnificativ. L1 cache rulează la frecvența procesorului, și, în general, trimiterea la care se poate face la fiecare ciclu de ceas (de multe ori este posibil să se efectueze chiar și câteva citire / scriere în același timp). Accesul de latență este de obicei 2? 4 cicluri de bază. Volumul este de obicei mic - mai puțin de 128 KB.
Al doilea este viteza L2-cache - cache-ul celui de al doilea nivel. De obicei, este situat fie pe cip ca L1, sau în imediata apropiere a nucleului, de exemplu, un cartuș de procesor (numai procesoare sloturi). Procesorul vechi - un chipset de pe placa de bază. Volumul de memorie cache L2 de 128 KB până la 1? 12 MB. În procesoarele multi-core de astăzi, cache-ul celui de al doilea nivel, în timp ce pe același cip, o utilizare de memorie separată - cu un volum total de 8 MB de memorie cache pentru fiecare nucleu are de 2MB. De obicei, latenta cache L2 situate pe cipul de bază, este de 8 până la 20 de cicluri ale nucleului. Spre deosebire de memoria cache L1, dezactivarea poate afecta performanțele sistemului. Cu toate acestea, problemele asociate cu mai multe apeluri la zona restricționată de memorie, de exemplu, baze de date, productivitatea poate cădea de zece ori.
al treilea nivel de memorie cache și cel mai puțin rapid de obicei, situate separat de nuclee CPU, dar poate fi dimensiuni foarte impresionant - mai mult de 32 MB. L3 cache este mai lent decât cache-ul anterior, dar încă mult mai rapid decât de memorie. Într-un sistem multiprocesor este în uz comun.
Dezactivarea cache-ul în al doilea și al treilea nivel în general utilizate problemele matematice, de exemplu, atunci când se calculează poligoanele atunci când volumul dimensiunea memoriei cache de date mai mici. În acest caz, putem scrie imediat în jos toate datele din memoria cache, și apoi a face tratamentul lor.
Cu aceeași cantitate de scheme de cache cu o mai mare asociativitate va fi mai puțin rapid, dar cele mai eficiente.
coprocessor 3.6 matematica
Math coprocessor - extensie coprocesor seturi de comenzi CPU și asigură operațiunile sale module funcționale de procesoare punct care nu au integrat un modul plutitor.
Modul de operațiuni cu virgulă mobilă (. Sau în virgulă mobilă Engl unitate de virgulă mobilă (FPU)) - o parte a procesorului pentru a efectua o gamă largă de operații matematice pe numere reale.
Simplu procesoare „întreg“ pentru a lucra cu numere reale și operații matematice necesare pentru sprijinirea procedurilor și de timp pentru a le pune în aplicare corespunzătoare. Modulul floating point-le sprijină pe primitivele nivel - încărcare, descărcare număr real (în / din registre speciale) sau a unei operații matematice efectuate pe ele cu o singură comandă, datorită acestui fapt, o accelerare considerabilă a acestor operațiuni.
4. 4. microprocesor, sisteme multiprocesor, frecvența de ceas și procesoare de biți.
procesoare moderne rula într-un microprocesor.
Fizic microprocesorul este un circuit integrat - siliciu cristalin placă subțire zonă dreptunghiulară de câțiva milimetri pătrați, care are circuite care implementează toate funcțiile procesorului.
placă de cristal este de obicei plasat într-un material plastic sau corp plat ceramic și este conectat cu fire de aur cu pini de metal, astfel încât acesta poate fi conectat la placa de bază a calculatorului.
Sistemul de calcul poate avea mai multe procesoare care funcționează în paralel; Astfel de sisteme sunt numite multiprocesor.
Viteza procesorului se măsoară în megahertzi (MHz). Aceasta oferă o idee de cât de multe operații el efectuează în al doilea. Deși este sigur să spunem că 200 MHz Pentium MMX este mai rapid decât 166 MHZ Pentium MMX. Astfel de comparații sunt posibile numai în cadrul familiei de procesoare. Comparați viteze în MHz Pentium MMX și Pentium II sau un cip de la un alt producător nu este posibilă, deoarece instrucțiunile sunt procesate în diferite moduri.
Procesorul hardware este implementat pe un circuit integrat mare (LSI). LSI nu este de fapt „mare“ dimensiune și este, invers, o mică dimensiune napolitana plat de aproximativ 20x20 mm. închise într-o carcasă plată, cu rânduri de știfturi metalice (contacte). LSI este un număr „mare“ de elemente.
Folosind înaltă tehnologie modernă permite introducerea procesorului LSI volum imens (42 de milioane în procesorul Pentium 4) elemente funcționale (comutatoare) având o dimensiune de aproximativ 0,13 microni (1 micron = 10-6 metri).
etc.