Микропроцессор

Презентация из 38 слайдов содержит:

- определение термина "процессор";

- подробное описание текстовое и в картинках устройства и его характеристик;

- приводятся особенности свойств некоторых процессоров.

Микропроцессор

Процессор – устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера («МОЗГ» компьютера)

Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ. chip), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине – кристалле. Поэтому его принято называть – микропроцессор.

В современных компьютерах весьма распространенными являются микропроцессоры фирмы INTEL, более известные по их товарной марке Pentium.

Характеристики микропроцессора

Технические характеристики микропроцессора

Производительность –

количество элементарных операций, выполняемых за одну секунду.

Производительность определяет быстродействие компьютера в целом.

Тактовая частота –

количество тактов в секунду ( Такт – чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течении которого может быть выполнена элементарная операция).

Единица измерения тактовой частоты – Гц (герц)

Для современных компьютеров тактовая частота измеряется от сотен мегагерц (1 МГц=1000 Гц) до нескольких гигагерц ( 1ГГц=1000 МГц)

Разрядность –

размер минимальной порции информации, обрабатываемой процессором за один такт.

Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит).

Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам.

Характеристики некоторых моделей микропроцессоров (МП), отражающих основные этапы развития

Микро процессор

Год выпуска

Intel 4004

1971

Intel 8080

Число эл-ов

Motorola 68000

1972

2 300

Значение

Первый МП

1978

4 800

Hewlett Packard superchip

Первый универсальный МП

70 000

1981

Первый 16-битный МП

450 000

Первый 32-битный МП сложной конструкции

Многоядерность

Многоядерность

Пути увеличения быстродействия:

• наращивание тактовых частот ,
• увеличение числа инструкций , исполня-емых за один такт,
• уменьшение числа операций , необходи-мых для обработки одних и тех же объёмов данных (SIMD инструкции).

Performance = Frequency * IPC

Power =

Особенности Core 2 Duo

• Intel Wide Dynamic Execution (14 стадий конвейера, до 4х инструкций за такт в каждом ядре)
• Intel Smart Memory Access (Оптимизация доступа к памяти, в т.ч. Memory Disambiguation)
• Intel Advanced Smart Cache (Общий КЭШ 2го уровня, динамически распределяемый между ядрами)
• Intel Advanced Digital Media Boost (128-битный SSE, расширенный набор команд)
• Intel Intelligent Power Capability
• Micro-ops fusion и macrofusion

Особенности Core 2 Duo

• Intel Wide Dynamic Execution  — технология выполнения большего количества команд за каждый такт, повышающая эффективность выполнения приложений и сокращающая энергопотребление. Каждое ядро может выполнять до 4-х инструкций одновременно с помощью 14-стадийного конвейера .
• Intel Intelligent Power Capability  — технология, с помощью которой для исполнения задач активируется работа отдельных узлов чипа по мере необходимости, что значительно снижает энергопотребление системы в целом.
• Intel Advanced Smart Cache  — технология использования общей для всех ядер кэш-памяти 2-го уровня , что снижает энергопотребление и повышает производительность, при этом, по мере необходимости, одно из ядер может использовать весь

объём кэш-памяти при динамическом отключении другого ядра.

• Intel Smart Memory Access  — технология оптимизации работы подсистемы памяти, сокращающая время отклика и повышающая пропускную способность подсистемы памяти.
• Intel Advanced Digital Media Boost  — технология обработки 128-разрядных команд SSE , SSE2 и SSE3 , широко используемых в мультимедийных и графических приложениях, за один такт.

Intel Wide Dynamic Execution

• Каждое ядро выбирает из кода и исполняет до 4 x86 инструкций одновременно.
• Имеет 4 декодера ( 1 для сложных инструкций и 3 – для простых).
• 6 портов запуска ( 1 – Load, 2 – Store и 3 универ-сальных ).
• Усовершенствованный блок предсказания переходов.
• Увеличены буферы команд, используемые на различных этапах анализа кода для оптимизации скорости исполнения,
• Длина конвейера составляет 14 стадий . Процессоры с микроархитектурой Core обладают поддержкой 64-битных расширений Enhanced Memory 64 Technology (EM64T).

Intel Advanced Smart Cache

• Нет необходимости поддерживать когерентность.
• Динамически распределяется между ядрами.

Intel Smart Memory Access

• 6 Блоков предвыборки ( 2 для КЭШа 2го уровня, по 2 для КЭШей 1го уровня).
• Memory Disambiguation технология направлена на повышение эффективности работы алгоритмов внеочередного исполнения инструкций, осуществляющих чтение и запись данных в памяти. Она использует алгоритмы, позволяющие с высокой вероятностью устанавливать зависимость последовательных команд сохранения и загрузки данных, и даёт возможность, таким образом, применять внеочередное выполнение инструкций к этим командам.

Micro-ops fusion и macrofusion технологии

Обе технологии увеличивают числа исполняемых команд за такт.

1 . Команда – это «связанные» декодером зависимые микро-инструкции, на которые распа-дается x86-команда. Это позволяет избежать ненужных простоев процессора, если связанные микроинструкции оказываются оторванными друг от друга в результате работы алгоритмов внеоче-редного выполнения.

2. Команда -- связанные между собой после-довательных x86-команд, например, сравнение со следующим за ним условным переходом, пред-ставляются внутри процессора одной микроинст-рукцией. Таким путём достигается как увеличение темпа исполнения кода, так и некоторая экономия энергии.

Macro-fusion технологии

Intel Advanced Digital Media Boost

Современное ПО позволяет работать со 128-битовыми операндами различного характера (векто-рами и целочисленными либо вещественными данными повышенной точности).

Этот факт заставил инженеров Intel задуматься об ускорении работы SSE блоков процессора, тем более что до настоящего времени процессоры Intel испол-няли одну SSE-инструкцию , работающую с 128-битными операндами, лишь за два такта .

Один такт тратился на обработку старших 64 бит .

Второй такт – на обработку младших 64 бит .

Микроархитектура Core позволяет ускорить работу с SSE инструкциями в два раза .

Технические характеристики Core 2 Duo

• L1 DCache 32K 8-way
• L1 ICache 32K 8-way
• L2 Cache 4M / 2 Cores
• ITLB 128 ent
• DTLB 256 ent
• Устройства

• 5 Integer 3 ALU + 2 AGU 2 Load/Store (1 Load + 1 Store) 4 FP (FADD + FMUL + FLOAD + FSTORE) 3 SSE (128 bit)
• 5 Integer 3 ALU + 2 AGU
• 2 Load/Store (1 Load + 1 Store)
• 4 FP (FADD + FMUL + FLOAD + FSTORE)
• 3 SSE (128 bit)

Intel Core

L1 кэш данных

32 Кбайта

AMD K8

L1 кэш инструкций

64 Кбайта

32 Кбайта

Латентность кеша L1

64 Кбайта

3 цикла

Ассоциативность L1 кеша

Размер L1 TLB

3 цикла

8-way

2-way

Инструкции – 128 вхождений

Размер L2 кэша

Инструкции – 32 вхождения

Данные – 256 вхождений

Латентность кэша L2

Данные – 32 вхождения

4 Мбайта на два ядра

Ассоциативность L2 кэша

1 Мбайт на каждое ядро

14 циклов

Ширина шины L2 кэша

16-way

12 циклов

Размер L2 TLB

16-way

256 бит

Длина конвейера

128 бит

-

Число x86 декодеров

512 вхождений

14 стадий

Целочисленные исполнительные устройства

1 сложный и 3 простых

12 стадий

Load/Store устройства

3 сложных

3 ALU + 2 AGU

FP ИУ

3 ALU + 3AGU

2 (1 Load + 1 Store)

2

FADD + FMUL + FLOAD + FSTORE

SSE ИУ

FADD + FMUL + FSTORE

3 (128-битные)

3 (64-битные)

Itanium 2 (Montecito)

Niagara

Особенности Niagara

• 8 ядер
• 4 потока на ядро
• Общий FPU
• 79 Ватт при 1.2 ГГц
• 26.5 ГБ/сек

Cell

Архитектура Cell

Cell

• Главный процессорный элемент

• Упорядоченное исполнение Поддержка работы с двумя потоками
• Упорядоченное исполнение
• Поддержка работы с двумя потоками
• 8 синергетических процессорных элементов Ядро на основе 286 архитектуры Поддержка векторных вычислений 128 бит Отсутствие КЭШей Локальная память 256 Кбайт с прямым доступом
• Ядро на основе 286 архитектуры
• Поддержка векторных вычислений 128 бит
• Отсутствие КЭШей
• Локальная память 256 Кбайт с прямым доступом
• Шина ввода вывода Пропускная способность 76,8 Гбайт/с
• Пропускная способность 76,8 Гбайт/с

Шина взаимосвязанных элементов

• Передает 96 байт/цикл
• Более 100 уникальных запросов

Power Processor Element

• Два 64-битных ядра на основе архитектуры POWER
• Упорядоченное исполнение комманд
• Поддержка SMT (многопоточность)
• КЭШ

• 1го уровня: 32+32 Кбайт 2го уровня: 512 Кбайт
• 1го уровня: 32+32 Кбайт
• 2го уровня: 512 Кбайт

Synergistic Processor Element

• 4 целочисленных векторных устройства
• 4 векторных устройства с плавающей запятой
• 128 регистров по 128 бит
• 256 Кбайт локальной памяти
• Динамическая защита доступа к памяти

Производительность Cell (для 4GHz)

• 256 GFLOPS с плавающей запятой
• 256 GOPS целочисленная арифметика
• 25 GFLOPS с плавающей запятой двойной точности

THE END