Эволюция технологий изготовления процессора

Эволюция технологий изготовления процессора

Электромеханическое реле

Вакуумные лампы и ячейки на лампах

Транзисторы

Эволюция технологий изготовления процессора: микросхемы

Микропроцессор Intel 4004

1971 год
первый в мире коммерчески

В настоящее время

Intel Core i3 2010

2011 год
995 000 000 транзисторов
~145 000

Processor Number i7-5960X
Intel® Smart Cache 20 MB
Instruction Set 64-bit
Lithography 22 nm
# of Cores 8
Processor Base Frequency 3

Закон Мура

Удвоение числа транзисторов каждые 2 года

Если бы авиапромышленность в последние

Схема работы транзистора

Напряжение на базе ниже критического – транзистор действует как

Построение логических элементов на транзисторах

Vout

+V

V1

V2

0

1

1

1

Построение элемента И

Vout

+V

V1

V2

Vout

+V

Vin

Vout

+V

V1

V2

Построение логических элементов на транзисторах

0

1

0

0

Vout

+V

V1

V2

Построение элемента ИЛИ

Vout

+V

Vin

Логические функции

Все операции являются результатом работы логических функций

?

Любую логическую функцию

Пример: Таблица истинности сумматора

0

0

1

1

Перенос

1

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

Пример: Схема сумматора

Принципиальная схема, реализующая таблицу истинности полного двоичного одноразрядного сумматора

Принципиальная

Схема материнской платы ПК

Предельно-упрощенная схема ПК

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Общая шина

Контроллеры

УУ

АЛУ

Регистр Адреса

Алгоритм работы процессора: обращение в память за командой

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

АЛУ

Регистр Адреса

Регистр Команды

?

Формат команды процессора

N (1,2,…) байт (в зависимости от архитектуры)

Код команды

Числовая комбинация,

Алгоритм работы процессора: обращение в память за данными

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

АЛУ

Регистр Адреса

Регистр Команды

Обращение

Алгоритм работы процессора: обработка данных в АЛУ

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

Регистр Адреса

Регистр Команды

Регистры Данных

АЛУ

Данные

Данные

Признаки

Алгоритм работы процессора: отправка данных в память

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

Регистр Адреса

Регистр Команды

Регистры Данных

АЛУ

Данные

Регистр

Алгоритм работы процессора: определение адреса команды

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

Регистр Команды

В счетчике команд определяется

Алгоритм работы процессора

Выбор команды
Дешифрация
Запрос операндов
Выполнение команды с получением результата и/или формированием

Упрощенная структурная схема процессора

(следующий слайд)

Блок выборки инструкций

Ядро процессора 1

Предсказатель переходов

Блоки декодирования инструкций

Блоки выборки данных

Управляющий блок

Блоки

Способы увеличения производительности процессора

Конвейеризация

Суперскалярность

Параллельная обработка данных

Технология Hyper-Threading

Технология Turbo Boost

Эффективность выполнения команд

Конвейер

Выбор команды
Дешифрация
Запрос операндов
Выполнение команды с получением результата и/или формированием признаков
Запись результата
Увеличение

Конвейеризация

1-ая команда

2-ая команда

1-ая команда

3-ья команда

4-ая команда

2-ая команда

3-ья команда

4-ая команда

Суперскалярность

Наиболее нагруженные блоки присутствуют в нескольких экземплярах
Параллельное выполнение возможно при независимости

Параллельная обработка данных

Не все программы могут работать на нескольких ядрах
Одна программа

Технология Hyper-Threading

Одно ядро выполняет две задачи одновременно: два потока (два виртуальных

Технология Turbo Boost

автоматический разгон ядер процессора до частоты выше базовой при

Технология Turbo Boost

Динамическое повышение частоты
Процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение,

Эффективность выполнения команд : направления развития архитектур

RISC (Reduced Instruction Set

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

фиксированная длина инструкций;
небольшой набор стандартизированных инструкций;
большое количество

CISC (Complex Instruction Set Computing)

Исторически первые
Характеризовались
сложными и многоплановыми инструкциями;
большим набором различных

Энергопотребление процессора

Энергопотребление процессора

Способы снижения энергопотребления процессора

Портативные устройства
Снижение частоты – потеря производительности…

Технология EIST (Enhanced

Подитог: Характеристики процессора

Количество ядер
Частота процессора как количество элементарных операций, которые процессор

Любые операторные языки
СИ
Паскаль
Бейсик
- опираются на систему команд процессора

A=B

пересылка данных

0

Выполнение команды пересылки

Процессор

Память

Устройства ввода/вывода

внешняя

внутренняя

Контроллеры

УУ

АЛУ

Регистр Адреса

Регистр Команды

Обращение за командой

Обращение за операндом

Запись результата

Вывод:

Как ускорить выполнение команды?

Сложение

Слагаемое 1

Слагаемое 2

Сумма

Уменьшить длину команды

Организовывать вычисления с минимальным

Регистры

Один из операторов обязательно регистр
Регистр - последовательное или параллельное логическое устройство,

Устройство триггера

0

1

0

0

R=0
S=0
Не изменяет состояние триггера

R

S

Q

Q

Устройство триггера

0

1

R=0
S=1
Устанавливает триггер в единицу

0

1

R

S

Q

Q

0

1

Устройство триггера

1

0

R=1
S=0
Устанавливает триггер в ноль

1

0

R

S

Q

Q

1

0

Устройство триггера

1

1

R=1
S=1
Запрещенная комбинация

R

S

Q

Q

Регистр – совокупность триггеров

Схема синхронного RS-триггера на элементах 2И-НЕ

Условное графическое обозначение

Регистры процессора

Регистры общего назначения

Сегментные регистры – обращение к памяти

Счетчик команд

Регистр признаков

Регистры общего назначения

AL

AH

8 бит

8 бит

AX

16 бит

8086 процессор

EAX

Регистры общего назначения

AX — аккумулятор; для хранения операндов в командах умножения

Сегментные регистры

CS сегмента кода - в каком месте памяти находится программа
DS сегмента данных

Регистр признаков

Содержит слово состояния процессора

Стек

Специальная область памяти
Структура данных с методом доступа к элементам LIFO (Last In —

Размещении и извлечении значений в стеке

mov ax, 4560h
push ax

mov cx, FFFFh
push

Система команд

Команды пересылки
Команды обработки данных:
Арифметические
Логические команды
Команды сдвига
Команды ветвления или управления
Команды обращения

Команды пересылки

Между регистрами
Между памятью и регистрами

A=B

Mov

mov ax,1234h

AX = 1234h,

Арифметические команды

i=i+1
A++

Сложение ADD
Вычитание SUB
Умножение MUL
Деление DIV
Увеличение INC
Уменьшение DEC
Смена знака NEG

mov al,10

Логические команды

Выполнение операций Булевой алгебры И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT),

Команды сдвига

Логический сдвиг

1

0

1

1

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

Циклический сдвиг

1

0

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

shr al,1

rol al,1

Команды ветвления управления

Безусловная передача управления

Go to Label

jmp

Команды условного перехода

If A>B

Команды условного перехода

Команды ветвления управления

For x=5 to 17
…
Next x

Команды циклов

LOOP <метка>

перевод на

Процедуры

Программа разбивается на части

CALL передача управления процедуре
В конце процедуры команда RET

Использование процедур

программа

CALL proc1

CALL proc2

CALL proc1

…

…

CALL proc3

Обращения к процедурам

По завершению процедуры процессор должен уметь вернуть управление программе

Адрес

Адресация

N (1,2,…) байт (в зависимости от архитектуры)

Код команды

Операнд 1

Операнд M

…

Прямая

Косвенная (адрес

Прямая адресация

Код команды

Операнд

mov ax,1234h
add bx,ax