МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
Бердичівськийполітехнічний коледж
Контрольнаробота
№ 1 здисципліни
«Архітектуракомп'ютерів»
курс 4
(варіант №7)
Студента групиПЗС-405
Івасюка Андрія Михайловича
Перевірив
викладач В.Ю. Козік
м. Бердичів, 2006р.
Зміст
1. Структурна систематика архітектури Р.Хокні та К. Джессхоупа
2. Технологія SMM, SSE
3. Набори мікросхем системної логікипроцесорів Pentium II/III
4. Суперскалярний мікропроцесор таконвеєри виконання команд
Список використаної літератури
1.Структурна систематика архітектури Р. Хокні та К. Джессхоупа
Напершому рівні всі обчислювальні системи поділяють за принципом множинності(кількості) на одно-комп’ютерні та багато комп’ютерні. Обчислювальні системи зодним комп’ютером, у свою чергу, поділяються на ЕОМ з одним конвеєрним МП та збагатьма МП.
Першіз них є традиційними послідовними комп’ютерами, а другі утворюють класпаралельних комп’ютерів, які поділяють на конвеєрні, не конвеєрні тамікропроцесорні матриці.
Прикладомоднієї з перших не конвеєрних обчислювальних машин з паралелізмом е комп’ютерСБС-6600, побудований на основі декількох скалярних процесорів.
КонвеєрніЕОМ поділяються на такі, що виконують тільки скалярні команди, наприкладкомп’ютери СБС-7800, РРС АР-120В, і такі, що виконують векторні команди.Комп’ютери, що використовують векторні команди, поділяють, у свою чергу, накомп’ютери із спеціалізованим конвеєром, наприклад СКАУ-1, та з універсальнимконвеєром — комп’ютер СУВЕК 205.
Комп’ютериа класу машин з матрицею процесорів поділяють за зв’язаністю процесорів вматриці, розрядністю тощо.
Запризначенням комп’ютери поділяють на дві основні групи:
- універсальні
- спеціалізовані.
СучаснийPC є і простим і складним. Він став простіше, оскільки за минулі роки багатокомпонентів, що використовуються для збірки системи, були інтегровано з іншимикомпонентами і тому кількість елементів зменшилася. Він став складніше,оскільки кожна частина сучасної системи виконує набагато більше функцій, ніж тіж частини в старіших системах.
Нижчеперераховані всі компоненти, які повинен містити сучасний PC.
2.Технологія SMM, SSE
Задавшисьметою створення все більш швидких і могутніх процесорів для портативнихкомп'ютерів, Intel розробила схему управління живленням. Ця схема даєможливість процесорам економно використати енергію батареї і таким чиномпродовжити термін її служби. Intel вперше реалізувала таку можливість впроцесорі 486SL, який є вдосконаленою версією процесора 486DX. Згодом, колиможливості управління живленням стали більш універсальними, їх почаливбудовувати в Pentium і у всі процесори пізніших поколінь. Система управлінняживленням процесорів називається SMM (System Management Mode — режим управліннясистемою).
SMMфізично інтегрована в процесор, але функціонує незалежно. Завдяки цьому вонаможе управляти споживанням потужності, залежно від рівня активності процесора.Це дозволяє користувачу визначати інтервали часу, після закінчення якихпроцесор буде частковий або повністю вимкнений. Дана схема також підтримуєможливість припинення/відновлення, яка дозволяє миттєво включати і відключатипотужність, що звичайно використовується в портативних комп'ютерах. Відповідніпараметри встановлюються в BIOS. У лютому 1999 року Intel представилагромадськості процесор Pentium III, що містить оновлення технології ММХ, щоодержала назву SSE (Streaming SIMD Extensions — потокові розширення SIMD). Доцього моменту інструкції SSE носили ім'я Katmai New Instructions (KNI),оскільки спочатку вони були включені в процесор Pentium III з кодовим ім'ямKatmai. Процесори Celeron 533A і вище, створені на основі ядра Pentium III, тежпідтримують інструкції SSE. Раніші версії процесора Pentium II, рівно якCeleron 533 і нижче (створені на основі ядра Pentium II), SSE не підтримують.
ІнструкціїSSE містять 70 нових команд для роботи з графікою і звуком на додаток доіснуючих команд ММХ. Фактично цей набір інструкцій окрім назви KNI мав ще ідругу назву — ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з плаваючоюкомою, реалізовувані в окремому модулі процесора. У технологіях ММХ для цихцілей використовувався стандартний пристрій з плаваючою комою.
Улютому 1999 року Intel представила громадськості процесор Pentium III, щомістить оновлення технології ММХ, що одержала назву SSE (Streaming SIMDExtensions — потокові розширення SIMD). До цього моменту інструкції SSE носилиім'я Katmai New Instructions (KNI), оскільки спочатку вони були включені впроцесор Pentium III з кодовим ім'ям Katmai. Процесори Celeron 533A і вище,створені на основі ядра Pentium III, теж підтримують інструкції SSE. Ранішіверсії процесора Pentium II, рівно як Celeron 533 і нижче(створені на основі ядра Pentium II), SSE не підтримують.
ІнструкціїSSEмістять70новихкоманд для роботи з графікою і звуком на додаток до існуючих команд ММХ.Фактично цей набір інструкцій окрім назви KNI мав ще ідругу назву — ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з плаваючою комою, реалізовувані вокремому модулі процесора. У технологіях ММХ для цих цілей використовувавсястандартний пристрій з плаваючою комою.
ІнструкціїSSE2, що містятьв собі 144 додаткові команди SIMD, були представлені в листопаді 2000 року разом зпроцесором Pentium 4. У SSE2 були включені всі інструкції попередніх наборів ММХ і SSE.
Потоковірозширення SIMD (SSE) містять цілий ряд нових команд для виконання операцій зплаваючою комою і цілими числами, а також команди управління кеш пам'яттю. Новітехнології SSE дозволяють ефективніше працювати з тривимірною графікою, потокамиаудіо- і відеоданих (DVD-відтворення), а також додатками розпізнавання мови. В цілому SSE забезпечуєнаступні переваги:
• вищий дозвіл/якість при перегляді і обробці графічних зображень;
• поліпшена якість відтворення звукових і відеофайлів у форматі MPEG2, а такожодночасне кодування і декодування формату MPEG2 вмультимедійних додатках;
• зменшення завантаження процесора і підвищення точності/швидкостіреагування при виконанні програмного забезпечення для розпізнавання мови.
ІнструкціїSSEіSSE2особливоефективні при декодуванні файлів формату MPEG2, який є стандартомстиснення звукових і відеоданих, використовуваним в DVD-дисках. Отже, SSE-оснащені процесоридозволяють досягти максимальної швидкості декодування MPEG2 безвикористовування додаткових апаратних засобів (наприклад, платня декодера MPEG2). Крім того,процесори, що містять набір інструкцій SSE, значно перевершуютьпопередні версії процесорів при розпізнаванні мови.
Однієюз основних переваг SSE по відношенню до ММХ є підтримка операцій SIMD з плаваючоюкомою, що дуже важливе при обробці тривимірних графічних зображень. Технологія SIMD, як і ММХ,дозволяє виконувати відразу декілька операцій при отриманні процесором однієїкоманди. Зокрема, SSE підтримує виконання до чотирьох операцій з плаваючою комою зацикл; одна інструкція може одночасно обробляти чотири блоки даних. Длявиконання операцій з плаваючою комою інструкції SSE можутьвикористовуватися разом з командами ММХ без помітного зниження швидкодії. SSE такожпідтримує попереджуючу вибірку, даних (prefetching), яка ємеханізмом попереднього прочитування даних з кеш-пам'яті.
Звернітьувагу, що якнайкращий результат використовування нових інструкцій процесоразабезпечується тільки при їх підтримці на рівні використовуваних додатків. Насьогоднішній день більшість компаній, що займаються розробкою програмногозабезпечення, модифікувала додатки, пов'язані з обробкою графіки і звуку, щодозволило більш повно використовувати можливості SSE. Наприклад,графічний додаток Adobe Photoshop підтримує інструкції SSE, що значно підвищує ефективність використовування SSE-оснащенихпроцесорів.Підтримка інструкцій SSE вбудована в DirectX 6.1 і в самі останні відео- і аудіодрайвери, що поставляються зопераційними системами Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4.0 (з пакетом оновлення 5 або пізнішим) і Windows 2000.
ІнструкціїSSEєрозширенням технологій ММХ, а SSE2 — розширенням інструкцій SSE. Таким чином,процесори, що підтримують SSE2, підтримують також інструкції SSE, апроцесори, що підтримують інструкції SSE, у свою чергу,підтримують оригінальні команди ММХ. Це означає, що стандартні ММХ – додаткиможуть виконуватися практично на будь-яких системах.
3.Набори мікросхем системної логіки процесорів Pentium II/III
Вкінці 1999 року з’явилися набори мікросхем і системна плата з тактовоючастотою 133 Мгц, що підтримувала всі сучасні версії процесора Pentium III. В цей жечас компанія AMD випустила системну плату Athlon і набори мікросхем зтактовою частотою 100 Мгц, використовуючи технологію подвійної передачі даних. Цедозволило збільшити швидкість передачі даних між процесором Athlon і основнимнабором мікросхем North Bridge до 200 Мгц.
До2001рокушвидкодія шин процесорів AMD Athlon і Intel Itanium збільшилася до 266 Мгц, а шини процесора Pentium 4 — до 400 Мгц.
Усучасних комп’ютерах використовується генератор змінної частоти, звичайнорозташований на системній плати; він генерує опорну частоту для системної платиі процесора. На більшості системних плат процесорів Pentium можнавстановити одне з трьох або чотирьох значень тактової частоти. Сьогоднівипускається безліч версій процесорів, що працюють на різних частотах, залежновід тактової частоти конкретної системної плати. У додатку приведенітактові частоти процесорів Pentium і системної плати до них.
Удеяких системах можна встановити велику робочу частоту процесора; ценазивається розгоном (overclocking). Після установки великих значень частотипроцесора збільшується і його швидкодія. Практично всі типи процесорів маютьтак званий «технологічний запас» безпечного збільшення тактовоїчастоти. Наприклад, процесор 800 Мгц може працювати на частоті 900 Мгц і вище.Слід зазначити, що при розгоні процесора знижується стійкість його роботи.
Звичайнодопускається 10-20 процентне збільшення частоти системної шини без наслідківдля процесора, тобто таке збільшення не позначається на стабільності роботисистеми. В майбутньому набори мікросхем системної логіки будуть здатніорганізувати роботу чотирьох або більшої кількості процесорів Pentium II вєдиній багатопроцесорній системі, перш за все для використовування якфайл-сервер. Є версії Pentium II з кодами корекції помилок (Error CorrectionCode — ЕСC) на шині кеша другого рівня (L2). Вони розроблені спеціально длясерверів або інших систем, що виконують життєво важливі задачі, в яких великуроль грає надійність і цілісність даних. У всіх процесорах Pentium II сигнализапиту і видачі адреси на шину захищені контролем парності і, крім того,передбачений механізм повторення для підвищення цілісності і надійності даних.Для установки Pentium II в систему існує спеціальне кріплення. Процесорвстановлюється в Slot 1 на системній платні так, щоб бути захищеним відпошкоджень в результаті вібрацій і поштовхів. Кріплення розробляютьсявиготівниками системної платні. В мікросхемі Pentium напруга живлення, щовикористовується цими мікросхемами, — 3,3 В і нижче. Струм, споживанийпроцесором з тактовою частотою 100 Мгц, рівний 3,25 А, що відповідає споживанійпотужності 10,725 Вт. Менш швидкодійний процесор з тактовою частотою 90 Мгцспоживає струм 2,95 А, що відповідає споживаній потужності 9,735 Вт. Процесор зтактовою частотою 150 Мгц споживає струм не більше 3 А при напрузі 3,3 В(потужність 11,6 Вт); процесор з тактовою частотою 166 Мгц — 4,4 А (14,5 Вт), апроцесор на 200 Мгц — 4,7 А (15,5 Вт). Процесори випускаються в 296-контактномукорпусі SPGA, який не сумісний з корпусом процесора першого покоління. Перейтивід мікросхем першого покоління до мікросхем другого покоління можна тількиодним способом — замінити системну платню. На кристалі процесора Pentiumдругого покоління розташовується 3,3 млн транзисторів, тобто більше, ніж уперших мікросхем. Деякі мікросхеми Pentium працюватимуть тільки при певнихкомбінаціях цих висновків або, можливо, при їх установці в якому-небудь одномуположенні. Багато новітньої системної платні мають перемички або перемикачі, щодозволяють регулювати контакти BF і тим самим змінювати відношення кратностімноження тактової частоти в процесорі. Деякі користувачі “примушують” процесориPentium на 75 Мгц працювати на частоті 133 Мгц. Pentium II/III і Athlonкеш-пам'ять другого рівня є частиною процесора. Звичайно ж, він зовнішній повідношенню до кристала центрального процесора, просто ця окрема мікросхемавстановлюється усередині корпусу (картріджа) процесора. Тому на системнійплатиі для процесорів Pentium Pro або Pentium II немає ніякого кеша. В останніхмоделях процесорів Pentium III кеш-пам'ять другого рівня є частиною мікросхемипроцесора (подібно кеш-пам'яті першого рівня) і працює на більш високихчастотах (на частоті процесора, половинній або третини). В процесорах Itaniumдля збільшення продуктивності використовується три рівні кеш-пам'яті.
4. Суперскалярниймікропроцесор та конвеєри виконання команд
Упроцесорах Pentium п'ятого і подальших поколінь вбудований ряд внутрішніхконвейєрів, які можуть виконувати декілька команд одночасно. Процесор 486 і всіпередуючі протягом певного відрізка часу могли виконувати тільки одну команду.Технологія одночасного виконання декількох команд називається суперскалярною.Завдяки використовуванню даної технології і забезпечується додатковаефективність в порівнянні з процесором 486.
Суперскалярнаархітектура звичайно асоціюється з мікросхемами RISC (Reduced Instruction SetComputer — комп'ютер із спрощеною системою команд). Процесор Pentium — одна зперших мікросхем CISC (Complex Instruction Set Computer — комп'ютер з складноюсистемою команд), в якій застосовується суперскалярна технологія, реалізована увсіх процесорах п'ятого і подальших поколінь.
Розглянемона прикладі установки електричної лампочки інструкції CISC.
1. Візьмітьелектричну лампочку.
2. Вставте її впатрон.
3. Обертайтеповністю.
Іаналогічний приклад у вигляді інструкцій RISC.
1. Піднесітьруку до лампочки.
2. Візьмітьлампочку.
3. Піднімітьруку до патрона.
4. Вставтелампочку в патрон.
5. Поверніть її.
6. Лампочкаповертається в патроні? Якщо так, то перейти до п.5
7. Кінець.
Багатоінструкцій RISC є досить простими (або скороченими), тому для виконанняякої-небудь операції потрібно більше число подібних інструкцій. Їх основнаперевага полягає у тому, що процесор виконує менше операцій, що, як правило,зменшує час виконання окремих команд і, відповідно, всієї задачі (програми).Можна довго сперечатися про те, що ж насправді краще — RISC або CISC, хоча,якщо говорити чесно, такого поняття, як «чиста» мікросхема RISC абоCISC, не існує. Подібна класифікація не більше ніж питання термінології.
ПроцесориIntel і сумісні з ними процесори можна визначити, як мікросхеми CISC. Недивлячись на це, процесори п'ятого і шостого покоління володіють різнимиатрибутами RISC і розбивають під час роботи команди CISC на простіші інструкціїRISC. Суперскалярна архітектура дозволяє обробляти одночасно до 32 інструкцій(що знаходяться на різних етапах обробки). Для прогнозу розгалуженьвикористовується спеціальний блок — обробник логічних умов (branch unit). У процесорахPentiumшинаданих 64-розрядна, а регістри 32-розрядні. Така побудова на перший поглядздається дивною, якщо не враховувати, що в цьому процесорі для обробкиінформації служать два 32-розрядні паралельні конвейєри. Pentium багато в чомуподібний двом 32-розрядним процесорам, об'єднаним в одному корпусі, а64-розрядна шина даних дозволяє швидше заповнити робочі регістри. Архітектурапроцесора з декількома конвейєрами називається суперскалярною. Суперскалярнаархітектура – в неї є два конвейєри для паралельного виконання декількохкоманд. І прогноз переходів. З високою точністю прогнозується, які наступнікоманди будуть виконанні. Попереджуюче виконання. Дозволяє раціональновикористовувати конвеєри; завдяки цьому засобу конвеєри безперервно, беззупинки, виконують команди (навіть після команд галуження). Засобипереупорядковування команд. Допускають зміну порядку виконання команд вконвейєрі, завдяки чому економиться час, оскільки не уривається потік командпрограми. В процесорі 6x86 передбачено два кеші: двох портовий з'єднаний(універсальний) кеш місткістю 16 Кбайт і 256-байтовий кеш команд. З'єднаний кешдоповнений маленьким (місткістю в четверть кілобайта) швидкодійним асоціативнимкешем команд. В процесорі 6x86MX в чотири рази збільшений розмір внутрішньогокеша (тобто його об'єм рівний 64 Кбайт), що значно підвищило його ефективність.В систему команд процесора 6x86MX входить 57 команд MMX, завдяки яким швидшаєвиконання деяких циклів з великим об'ємом обчислень в мережних і мультимедійнихдодатках. Всі процесори 6x86 підтримують режим System Management Mode (SMM). Цеозначає, що передбачено переривання, яке може використовуватися для управлінняживленням системи або емуляції периферійних пристроїв уведення-виведення,прозорої для програмного забезпечення. Крім того, в 6x86 підтримуєтьсяапаратний інтерфейс, що дозволяє перевести центральний процесор в режимприпинення, в якому він споживає менше енергії.
Списоквикористаної літератури:
1. Тулі М., Справочний посібник по цифровій техніці: М.:Энергоатоміздат, 1990.
2. Срібнер Л.А. Програмуючі пристрої автоматики: — К.: Техніка, 1984
3. Буреев Л.Н. Найпростіша мікро-ЕВМ: -М.; Енергоатоміздат, 1989.
4. Конспект лекцій.