Архитектура ЭВМ Дмитриев Андрей Владиславович Saint-Petersburg 2009

Главная часть компьютера Какие критерии вы бы использовали при выборе компьютера?

Лекция 2. Процессор Процессоры Основные производители Ядра и линейки Корпуса Сокеты и слоты Чипсет (Chipset) Материнская плата

Основные определения Ядро - часть ЦП (CPU), определяющая большинство его параметров: – тип разъёма – диапазон рабочих частот процессора – частоту работы внутренней шины Ядро характеризуется : – технологическим процессом – объемом кэша первого уровня – напряжением – теплоотдачей – … Тактовая частота - это количество тактов (операций) процессора в секунду. – Пропорциональна частоте шины Техпроцесс - масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора

CISC/RISK Complete Instruction Set Computers – Широкий набором команд и несколько видов адресаций. – Выборка команд различной длины. – Появление специализированных блоков. – Сложность написания компилятора для поддержки команд. Reduced Instruction Set Computers – Все команды выполняются аппаратно. – Одновременно начинается исполнение большого числа команд – Небольшое множество одноразмерных команд. – Увеличение числа регистров общего назначения.

Производители и линейки ?

Intel (Celeron, Core, Pentium, Atom) AMD (Athlon, Sempron, Phenom, Turion, Geode) Sun (Sparc, Niagara, …) HP ( PA-7200, …, PA-8500 ) ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex, Marvell, StrongARM, Snapdragon) Apple (Power) Motorola (68000) MIPS (R2000,…, R16000, R24K(?)) …

Семейство г. - анонсирована архитектура Intel г. - анонсирован сопроцессор плавающей точки г. - IBM объявила об использовании процессора в своей новой серии IBM PC/AT г. - появился 80386, расширив архитектуру до 32 бит г. – модель i486. Интеграция сопроцессора в ядро г. – Pentium: – Суперскалярная организация – Конвейер – Прогнозирование переходов

Организация компьютерных систем

SPARC Scalable Processor Architecture от Sun Microsystems базируется на RISC-архитектуре. Архитектура лицензирована несколькими производителями (Texas Instruments, Fujitsu, Philips, …) г. Sun передала все права на архитектуру организации SPARC International. Первый процессор с частотой МГц изготовлен компанией Fujitsu.

Разъемы Историческая справка. Технологическая необходимость. Маркетинговая стратегия.

Код процессора - численно-буквенная маркировка процессора, принятая производителем CPU: – Intel Pentium M Processor 735 – AMD Athlon

Конвейер Идея, предложенная Г. Фордом Цель: операцию разбить на множество более простых, которые могут выполняться одновременно

Конвейер (cont.) При движении объекта по конвейеру на разных его участках выполняются разные операции При достижении объектом конца конвейера он окажется полностью обработанным Для эффективной реализации конвейера должны выполняться следующие условия: – система выполняет повторяющуюся операцию – операция может быть разделена на независимые части, степень перекрытия которых невелика – трудоемкость подопераций примерно одинакова

Длина конвейера Длина конвейера может варьироваться.

Циклы конвейера

Вопрос Чем определяется частота работы процессора?

Параллельное выполнение

Суперскалярная архитектура Блок выборки операндов выполняет действия гораздо быстрее блока исполнения

Производительность Увеличение быстродействия, которое можно получить с помощью конвейера приблизительно задается формулой: где n - количество операндов, загружаемых в конвейер, d - глубина конвейера.

Этапы конвейера Инструкцию можно разбить как минимум на пять непересекающихся этапов: 1. Выборка инструкции (FETCH) из памяти. 2. Декодирование инструкции (DECODE). 3. Подготовка исходных данных для выполнения инструкции. 4. Выполнение инструкции (EXECUTE). 5. Сохранение полученных результатов.

Сложности и технологические решения 1. Необходимость наличия блокировок конвейера: нужен механизм, блокирующий выборку и декодирование новых инструкций до тех пор, пока не будут завершены старые 2. Необходимость наличия системы сброса процессора: на случай неудачного предсказания адреса условного перехода 3. Требуется наличие планировщика (scheduler), призванного решать конфликты по данным: как минимум, ожидание завершения сброса данных перед выполнением следующей инструкции 4. …

Предсказание переходов Переход вынуждает ЦП совершать холостые циклы Вычисление вероятности перехода позволяет избегать простоев ЦП Существует несколько основных реализаций: – BTB (Branch Target Buffer) – BHT (Branch History Table)

Кэш L1 (8-128 Кб) L2 (128 до Кб) L3 (0 до Кб) – Intel Pentium 4 Extreme Edition, Xeon DP, Itanium 2, Xeon MP…

Корпус PGA/FP-PGA ([FlipChip] Pin Grid Array) - матрица штырьковых выводов. PPGA - Plastic Pin Grid Array SEP - Single Edge Processor. LGA – Land Grid Array.

«Выступающий» процессор SECC (Single Edge Contact Cartridge) - для соединения с системной платой процессор вставляется в разъем.

Производственный процесс Кристалл Подложка Штамповка Разводка Упаковка

Верно ли, что… Программа, написанная для команд процессора Intel не запустится на Sparc Для разных линеек процессоров свои конвейерные линии на производстве Производительность процессора оценивается исключительно по его частоте iMac строится на основе разработок Intel

Наборы микросхем Производители (Intel, VIA, AMD, NVidia) Принципы устройства и исполнения Мост Хабовая архитектура Магистраль Конкуренция и перспективы

Материнская плата Компоненты и характеристики Альтернативное исполнение

BIOS Специфика Производители Настройки

Правда ли что… Чипсет и материнская плата – это одно и то же? BIOS – неизменяем? В некоторых материнских платах интегрирован: модем, звуковой и графический процессоры, LAN?

Литература Э.Таненбаум «Архитектура компьютера» гл.4, гл.5. Статья о метриках ЦП: – =16962&iid=786 =16962&iid=786 Производители: – – – – … А. Трасковский «Секреты BIOS»

Кто самый старый игрок на рынке компьютеров?

International Business Machines 1943: I think there is a world marked for about 5 computers – Tomas J. Watson, Chairman of the board, IBM 1981: IBM выпускает IBM PC 2004: IBM продаёт подразделение компании Lenovo

Спасибо! Дмитриев Андрей Владиславович