Реферат на тему: «Микропроцессоры с vliw архитектурой» Содержание: 1.Понятие архитектуры и микропроцессора 2.Виды архитектур микропроцессоров 3.Архитектура микропроцессора. Классификация 4.Архитектура vliw Вывод Список литературы 1. Понятие архитектуры и микропроцессора. Архитектуру микропроцессора определяет разрядность слова и внутренней шины данных микропроцессора. Первые микропроцессоры основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали микропроцессоры с 8- разрядной архитектурой, а современные микропроцессоры основаны с 16 и 32- разрядной архитектурой. Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых микропроцессорах с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В микропроцессорах с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств микропроцессора работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы. Термин «архитектура системы» часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п. Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее, как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации). Развитие технологии обеспечивает возможность создания на кристалле все большего количества активных компонентов - транзисторов, которые могут быть использованы для реализации новых архитектурных и структурных решений, обеспечивающих повышение производительности и расширение функциональных возможностей микропроцессоров Микропроцессор (МП) – программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной информационной системе. Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом, микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера. Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ». Микроконтроллер (МК) – однокристальная ЭВМ или управляющий микропроцессор. Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. Однако впоследствии расширение сферы использования микроконтроллеров повлекло за собой развитие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнительные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП), который определяет новый класс функционально-емких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК. По этой же причине появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, для управления и т. д. МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональных ЭВМ, а МК и ИП являются основой создания различных встраиваемых систем, телекоммуникационного и портативного оборудования и т. д. 2. Виды архитектур микропроцессоров В зависимости от набора выполняемых команд и способов адресации существуют следующие виды архитектур МП: CISC (Complex Instruction Set Computer) – архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Например, микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации). Большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура микропроцессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности. В то же время многие команды и способы адресации используются достаточно редко. Поэтому, начиная с 1980-х годов, интенсивное развитие получила архитектура процессоров с сокращенным набором команд (RISC -процессоры). RISC (Reduced Instruction Set Computer) – архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата и сокращенного числа способов адресации. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISCпроцессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. При этом для сокращения количества обращений к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего регистрового запоминающего устройства – от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8-16.Обращение к памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РЭУ или пересылки результатов из РЭУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некоторые другие. Достоинства RISC-архитектуры привели к тому, что во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро, выполняющее обработку данных. При этом поступающие сложные и разноформатные команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC- операций, быстро выполняемых этим процессорным ядром. Таким образом работают, например, последние модели микропроцессоров Pentium и К7, которые по внешним показателям относятся к CISCпроцессорам. Использование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных микропроцессоров. VLIW ( Very Large Instruction Word ) – особенностью архитектуры является использование очень длинных команд(до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора. Архитектура появилась относительно недавно - в 1990-х годах. В зависимости от используемого варианта реализации памяти и организации выборки команд и данных в современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур: Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой ФонНеймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Достоинства архитектуры: 1) наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных в зависимости от решаемых задач. Этим обеспечивается возможность эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения микропроцессора; 2) использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Основным недостатком архитектуры является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck - «бутылочное горло»), которое ограничивает производительность цифровой системы. Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтениемзаписью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Достоинством архитектуры является более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры, благодаря разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки. Недостатки архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки. Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры. Большинство микропроцессорных систем имеет магистрально- модульную структуру, в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине– магистрали. Основным модулем системы является микропроцессор, в состав которого входят устройство управления (УУ), операционное устройство, регистровое запоминающее устройство (РЗУ) –внутренняя память, реализованная в виде набора регистров. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы (или ее фрагментов) и данных, подлежащих обработке. В простейших микропроцессорных системах объем ОЗУ составляет десятки и сотни байт, а современных персональных компьютерах, серверах и рабочих станциях он достигает сотен Мбайт и более. Так как обращение к ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени, в большинстве современных высокопроизводительных микропроцессоров дополнительно вводится быстродействующая промежуточная память (кэшпамять) ограниченного объема (от нескольких Кбайт до сотен Кбайт). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и стандартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое служебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управляющих определенными объектами с использованием фиксированных или редко изменяемых программ, для их хранения также обычно используется ПЗУ (память ROM – Read-Only Memory) или репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM – Electrically Erased Programmable Read-Only Memory или флэш-память). Интерфейсные устройства (ИУ) служат для подключения к шине остальных устройств, которые являются внешними по отношению к системе. ИУ реализуют определенные протоколы параллельного или после- довательного обмена. Внешними устройствами могут быть клавиатура, монитор, внешние запоминающие устройства (ВЗУ), использующие гибкие или жесткие магнитные диски, оптические диски (CD-ROM), магнитные ленты и другие виды носителей информации, датчики и преобразователи информации (аналого-цифровые или цифроаналоговые), разнообразные исполнительные устройства (индикаторы, принтеры, электродвигатели, реле и другие). Для реализации различных режимов работы к системе могут подключаться дополнительные устройства – контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти и другие, реализующие необходимые специальные функции управления. Данная структура соответствует архитектуре Фон-Неймана, предложенной этим ученым в 1940-х годах для реализации первых моделей цифровых ЭВМ. Системная шина содержит несколько десятков (в сложных системах более 100) проводников, которые в соответствии с их функциональным назначением подразделяются на отдельные шины: -шина адреса А, служит для передачи адреса, который формируется микропроцессором и позволяет выбрать необходимую ячейку памяти ОЗУ (ПЗУ) или требуемое ИУ при обращении к внешнему устройству; - шина данных D, служит для выборки команд, поступающих из ОЗУ или ПЗУ в УУ микропроцессора, и для пересылки обрабатываемых данных (операндов) между микропроцессором и ОЗУ или ИУ (внешним устройством); - шина управления С, служит для передачи разнообразных управляющих сигналов, определяющих режимы работы памяти (запись или считывание), интерфейсных устройств (ввод или вывод информации) и микропроцессора (запуск, запросы внешних устройств на обслуживание, информация о текущем режиме работы) и другие сигналы. 3. Архитектура микропроцессора. Классификация Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением. Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации. Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. Специализированные микропроцессоры ориентированы на решение специфичных задач управления различными объектами. Содержат дополнительные микросхемы (интерфейсы), обеспечивающие специализированное применение. Имеют особую конструкцию, повышенную надежность. Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессо- рами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора (ЦПС) представляют класс периферийных устройств. Цифровые процессоры сигналов специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки последовательного аналоговых выполнения сигналов ряда команд является необходимость умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumlation ), реализующие эти операции. Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний. При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.). Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят: Программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel); Регистр состояния SR (или EFLAGS); Регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register); Регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти; Регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора. Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров. Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора. 4. Архитектура VLIW Подробнее рассмотрим суть архитектуры VLIW. VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой. В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду. VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит. Рассмотрим работу модельного VLIW-процессора с двумя арифметическо-логическими устройствами (АЛУ). Пусть нам надо сложить четыре числа, находящиеся в регистрах R1, R2, R3 и R4. Тогда псевдокод может выглядеть так: R5=R1+R2, R6=R3+R4; каждое АЛУ складывает свою пару чисел R0=R5+R6, NOP; первое АЛУ находит сумму, второе простаивает Преимущества и недостатки Подход VLIW сильно упрощает архитектуру процессора, перекладывая задачу распределения вычислительных устройств на компилятор. Поскольку отсутствуют большие и сложные узлы, сильно снижается энергопотребление. В то же время, код для VLIW обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества пустых инструкций для простаивающих устройств программы для VLIW-процессоров могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур. Архитектура VLIW выглядит довольно экзотической и непривычной для программиста. Из-за сложных внутренних зависимостей кода, программирование на уровне машинных кодов для VLIW-архитектур человеком вручную является достаточно сложным. Приходится полагаться на оптимизацию компилятора. Одни из первых VLIW-процессоры появились в конце 1980-х и были разработаны компанией Cydrome. В чистом виде архитектуру VLIW имеют процессоры TriMedia фирмы Philips и Instruments. семейство DSP C6000 Микропроцессор Transmeta Crusoe содержит фирмы Texas слой двоичной совместимости с архитектурой x86, который компилирует инструкции во внутренний формат процессора (code morphing). Ядро Crusoe является VLIWпроцессором. Микропроцессор Intel Itanium имеет 64-битную систему команд EPIC-процессора с явным параллелизмом, которая является одним из вариантов VLIW. Многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус3» и микропроцессоры серии «Эльбрус» («Эльбрус 2000», «Эльбрус S») являются VLIW-процессорами. VLIW также получила хорошее распространение на рынке GPU, так, видеопроцессоры AMD/ATI Radeon начиная с R600 и до современных имеют VLIW архитектуру. В последнем поколении (Southern Islands) компания AMD/ATI отошла от подхода VLIW. Выводы Таким образом, можно сделать вывод, что микропроцессоры классифицируются по функциональному признаку, организацией архитектур, организацией памяти данных и программ, набора выполняемых команд и способов адресации, а также разрядностью данных, адресации и управления. А архитектуру идеологии RISC, VLIW можно расширяющей вычислительными модулями. её считать на логическим архитектуры продолжением с несколькими Список литературы 1. Информационные технологии: учебник / под ред. В. В. Трофимова. — М.: Издательство Юрайт; ИД Юрайт, 2011. — 624 с. 2. Информационные системы в экономике: учебник / по ред. Г.А. Титоренко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Юнити-Дана, 2008. – 463 с. 3. Информационные системы и технологии в экономике: Учебник. - 2-е изд., доп. и перераб. / Т.П. Барановская, В.И. Лойко, М.И. Семенов, А.И. Трубилин; Под ред. В.И. Лойко. - М.: Финансы и статистика, 2005. - 416 с 4. Информационные Ресурсы России. Ч.1 Информационные Ресурсы Инновационного Развития / Антопольский Александр Борисович; Шлыкова Ольга Владимировна. - М.: Флинта, 2006. - 201 с. 5. Панарин И.Н. Технология информационной стратегии/И. Н. Панарин. - М.: КСП+, 2008. - 320 с. 6. Румянцева Е.Л., Слюсарь В.В. Информационные технологии: учеб. пособие / Под. ред. проф. Л.Г. Гагариной. – М.: ИД «Форум»: Инфра-М, 2007. – 256 с. 7. Советов Б.Я., Информационные технологии: Учеб. для вузов/ Б.Я. Советов, В.В. Цехановский. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2006. – 263 с. 8. Эльбрус-8С — подробности об отечественном процессоре. [Электронный ресурс] - http://www.computerra.ru/124439/elbrus-8c-details/ (дата обращения: 25.02.2017)
