Тема 6. Архітектура центрального процесора

1. Типова структура процесора

Процесор – пристрій, що здійснює процес автоматичної обробки даних і програмне управління цим процесом. Процесор дешифрує й виконує команди програми, організовує звертання до оперативної пам'яті, в потрібних випадках ініціює роботу каналів вводу/виводу і периферійних пристроїв, приймає та обробляє запити переривання, які надходять з пристроїв комп'ютера і ззовні. За виконуваними функціями процесор є центральним пристроєм ОМ.

Природно, що конкретні типи ОМ містять в своєму складі процесори, побудовані по різних схемах, і процесори великих ЕОМ істотно відрізняються від процесорів міні- і мікроЕОМ (про суперЕОМ і говорити не доводиться).

Проте основні принципи побудови процесорів, загалом, однакові, причому найнаочніше їх можна продемонструвати на прикладі простого мікропроцесора.

Раніше розглядалися дії над числами (додавання, віднімання), представленими в різній формі. Було підкреслено, що всі ці дії здійснюються за допомогою елементарних операцій, що виконуються в певній послідовності.

До таких елементарних операцій відносяться:

• запис числа в регістр;
• інвертування вмісту розрядів регістра;
• пересилка вмісту регістрів;
• зсув вмісту регістра;
• додавання кодів;
• порозрядні логічні операції або аналіз розрядів;
• операція лічби С+1 або С-1 (інкремент або декремент).

Всі ці дії виконуються в пристрої, званому процесором, який складається з двох пристроїв – операційного (ОПр) і управляючого (ПУ).

ОПр – виконує вказані елементарні операції. ПУ – управляє ОПр, задаючи необхідну послідовність виконання цих операцій. Як вузли ПУ і ОПр включають регістри, лічильники, суматори, мультиплексори, дешифратори і так далі, тобто пристрої імпульсної цифрової техніки. Крім того, нормальне функціонування процесора і всієї 3 ЕОМ можливо тільки за наявності високостабільних імпульсних послідовностей, які формуються, як правило, з однієї імпульсної послідовності, що виробляється кварцевим генератором. Ці тактові імпульсні послідовності синхронізують роботу вузлів процесора, а іноді і всій ЕОМ.

Узагальнена структура будь-якого процесора зображена на рис. 1. Кожна елементарна операція, що виконується в одному з вузлів ОПр протягом одного тактового періоду, називається мікрооперацією. В певні тактові періоди одночасно можуть виконуватися декілька мікрооперацій, наприклад: Рг ← 0, Лч ← (Лч) – 1 і так далі. Така сукупність несуперечливих мікрооперацій називається мікрокомандою, а набір мікрокоманд, призначений для вирішення завдання, називається мікропрограмою.

Рисунок 1. Узагальнена структура мікропроцесора

Якщо в ОПр передбачена можливість виконання n різних мікрооперацій, то з ПУ повинно виходити n управляючих ланцюгів S1, ..., Sn, кожний з яких відповідає своїй мікрооперації. Через те що ПУ визначає мікропрограму, тобто які і в якій тимчасовій послідовності повинні виконуватися мікрооперації, він отримав назву мікропрограмного автомата. Відповідно ОПр часто називають операційним автоматом.

Формування управляючих сигналів S1, ..., Sn може залежати як від зовнішніх сигналів КОп (команди асемблера), так і від стану вузлів ОПр, визначуваного повідомними сигналами ознак стану P1, ..., Pm, що поступають з виходу ОПр на відповідні входи ПУ.

Як вже наголошувалося, ОПр виконує над початковими даними різні арифметичні і логічні операції, тому ОПр найчастіше називають арифметико-логічним пристроєм, або АЛП. Ділення будь-якого процесора на програмний і операційний автомати достатньо очевидно і не викликає особливих труднощів в розумінні. Проте структурні схеми навіть простих реальних процесорів крім АЛП і ПУ містять ще ряд вузлів (регістри, лічильники, дешифратори і ін.).

Рис. 2. Графічне позначення простого АЛП.

2. Класифікація процесорів.

Постійне прагнення до підвищення швидкодії ОМ призвело до створення великої різноманітності процесорів, які відрізняються за своєю структурою, призначенням, за способом організації обчислювального процесу і ін. Весь парк процесорів можна класифікувати, наприклад, по наступних ознаках:

По використовуваній системі числення:

• процесори, що працюють в позиційній системі;
• процесори, що працюють в непозиційній системі (наприклад, в системі залишкових класів – СЗК).

За способом обробки розрядів:

• з паралельною обробкою розрядів;
• з послідовною обробкою;
• із змішаною обробкою (послідовно-паралельною).

По складу операцій:

• процесори загального призначення;
• проблемно-орієнтовані;
• спеціалізовані.

По місцю процесора в системі:

• центральний процесор (ЦП);
• співпроцесор; периферійний процесор;
• канальний процесор (контроллер каналу вводу/виводу);
• процесорний елемент (ПЕ) багатопроцесорної системи.

По організації операційного пристрою:

• з операційним пристроєм процедурного типу (I-процесори, M-процесори);
• процесори з блоковим операційним пристроєм;
• процесори з конвеєрним операційним пристроєм (з арифметичним конвеєром).

По організації обробки адрес:

• із загальним операційним пристроєм;
• із спеціальним (адресним) операційним пристроєм.

За типом операндів:

• скалярний процесор;
• векторний процесор;
• з можливістю обробки і скалярних, і векторних даних.

За логікою управління процесором:

• з жорсткою логікою управління;
• з мікропрограмним управлінням.

По складу (повноті) системи команд:

• RISC;
• CISC.

По організації управління потоком команд / способу завантаження виконавчих пристроїв:

• з послідовною обробкою команд;
• з конвеєром команд;
• суперскалярні процесори;
• процесори з довгим командним словом (VLIW) і так далі.

Як всяка класифікація, приведена вище класифікація не може вважатися повною, оскільки кількість типів процесорів достатньо велика і по своїй архітектурі процесори дуже різноманітні.

3. Архітектура мікропроцесора

Мікропроцесор (МП) або Central Processing Unit (CPU) – функціонально-закінчений програмно – керуючий пристрій обробки інформації, виконаний у вигляді однієї чи кількох великих (ВІС), або надвеликих (НВІС) інтегральних схем.

Мікропроцесор виконує наступні функції:

-         розрахунок адрес команд та операндів;

-         вибірку і дешифрацію команд з основної пам’яті (ОП);

-         вибірку даних з ОП, регістрів мікропроцесорної пам’яті (МПП) та регістрів адаптерів зовнішніх пристроїв (ЗП);

-         прийом та обробку запитів і команд від адаптерів на обслуговування ЗП;

-         обробку даних та їх запис у ОП, регістри МПП і регістри адаптерів ЗП;

-         виробітку керуючих сигналів для всіх інших вузлів і блоків ПК;

-         перехід до наступної команди.

Основними параметрами мікропроцесорів є:

• розрядність;
• робоча тактова частота;
• розмір КЭШ- пам’яті;
• склад інструкцій;
• конструктив; - робоча напруга і т.д.

Існують поняття архітектури і мікроархітектури мікропроцесорів. Під архітектурою мікропроцесора мають на увазі його програмну модель, тобто програмно – видимі властивості.

Основні програмно – видимі властивості мікропроцесора – це набір його регістрів, способи подання і формати даних, система команд (що визначає також роботу з пам'яттю), і механізм обробки переривань.

Мікропроцесори х86 є явно вираженими представниками CISC-архітектури: їм немає рівних по складності системи команд, при цьому базових архітектурних регістрів досить мало. Під мікроархітектурою мається на увазі внутрішня реалізація програмної моделі. Для однієї і тієї ж архітектури IA-32 різними фірмами і в різних поколіннях застосовуються мікроархітектурні реалізації, що істотно розрізняються: при цьому, природно, прагнуть до максимального підвищення продуктивності (швидкості виконання програм).

Починаючи з мікропроцесорів Р6 (фірми Intel) і К5 (фірми AMD), в мікроархітектурі застосовується RISC-ядро, виконуюче мікрооперації (uOps ) на які розкладаються складні інструкції х86. В результаті продуктивність мікропроцесора (за швидкістю виконання інструкцій х86) залежить від способу розкладання і швидкості виконання мікроінструкцій. У лідерів «процесоробудування» - Intel і AMD – підходи до оптимізації розрізняються: при зіставній (порівняній) продуктивності мікропроцесори AMD працюють на нижчих тактових частотах. Підвищення продуктивності мікропроцесорів х86 обходиться дуже дорого (в порівнянні з «чистою» RISC-архітектурою) – вимагає дуже складних пристроїв, що управляють, на які і йде значна частина транзисторів мікропроцесора і які, до того ж, потребляють значну потужність.

4. х86 та RISC архітектури мікропроцесорів

x86 (англ. Intel 80x86) — архітектура процесорів та ядра мікроконтролерів з однойменною системою команд. x86 або 80x86 є загальною назвою мікропроцесорної архітектури та архітектури розробленої на її базі обчислювальної техніки. Вперше реалізована в процесорах компанії Intel. Архітектура x86 у значно вдосконаленому вигляді і нині домінує на ринку настільних і мобільних комп'ютерів та малих серверів.

Крім Intel, ця архітектура також була реалізована в процесорах інших виробників: AMD, VIA, Transmeta, IDT та інші. На даний момент удосконалений варіант цієї архітектури із розрядністю 32 біти називається IA-32 (Intel Architecture — 32).

x86 є CISC архітектурою із змінною довжиною команд. Сумісність нових моделей процесорів із попередніми була ключовою у розвитку архітектури x86. Архітектура двічі розширювалась до більшого розміру машинного слова. Перші x86 процесори були 16-бітними. У 1985 Intel випустила 32-бітний процесор 80386, його архітектуру назвали x86-32 або IA-32 (Intel Architecture, 32 bits). У 2003, AMD випустила Athlon 64, в якому реалізовано розширення архітектури до 64 біт, яке називають AMD64 (AMD), EM64T (Intel), чи x64 (Microsoft). Нова архітектура x64 замінила x86 і починаючи з 2003 року стала новим індустріальним стандартом при виробництві усіх нових процесорів (за винятком процесорів типу ARM, що зараз широко використовуються в мобільних телефонах, смартфонах та нетбуках).

Сучасні x86 процесори перекладають набір команд x86 на RISC-подібні мікрокоманди для ефективнішого їх виконання.

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computing — обчислення зі скороченим набором команд) — архітектура процесорів зі скороченим набором команд. Також відома як «Load/Store архітектура», позаяк система команд такої архітектури не включає арифметико-логічних операцій з операндами у пам'яті. Для будь-якого оброблення даних їх спочатку слід завантажити (англ. Load) в регістр, виконати необхідні операції, а тоді зберегти (англ. Store) назад у пам'ять. Найвідоміші представники: DEC Alpha, ARC, ARM, AVR, MIPS, PA-RISC, Power Architecture (включаючи PowerPC), SuperH, та SPARC.

Основними рисами RISC архітектури є:

• Мала кількість команд;
• Однакова довжина всіх команд;
• Мала кількість різних форматів команд;
• Відсутність команд, які працюють з операндами в пам'яті (за виключенням команд завантаження та збереження);
• Мала кількість апаратно підтримуваних типів даних;
• Велика кількість ідентичних регістрів загального призначення.

Поштовхом для розробки RISC архітектури стало те, що тогочасні (середина 1970-х) компілятори не використовували більшість команд із CISC набору та не могли скористатися перевагами багатьох типів складної адресації. Виконання складних CISC інструкцій вимагало багатьох процесорних тактів, а реалізація різних типів адресування та інструкцій, що реалізовують високорівневі операції, займала більшість площі процесорного кристалу та майже не використовувалась.

RISC-процесори швидші і економічніші, ніж CISC. У принципі, є можливість проектувати процесори на чистій RISC-архітектурі. Але відмовитися від архітектури x86 вже важко, оскільки під неї написано більшість поширених у світі програм, включаючи комп'ютерні ігри/

Приклади RISC- процесорів:

1. ARM — Переважно зустрічається на ринку комп'ютерів з високою продуктивністю, низьким енергоспоживанням та дешевих вбудованих систем (типово 100–500 MHz в 2008). ARM зустрічається в числених мобільних пристроях, таких як:

• Apple iPod (спеціально замовлений ARM7TDMI SoC)
• Apple iPhone (Samsung ARM1176JZF)
• Palm, PocketPC та смартфони (Intel XScale, Samsung SC32442 — ARM9)
• Nintendo Game Boy Advance (ARM7)
• Nintendo DS (ARM7, ARM9)
• Sony Network Walkman (на базі Sony in-house ARM)
• Деякі телефони Nokia та Sony Ericsson

1. MIPS, зустрічається в більшості комп'ютерів SGI, PlayStation, PlayStation 2, Nintendo 64, PlayStation Portable.
2. IBM та Freescale (раніше Motorola SPS) Power Architecture, використовується у всіх суперкомп'ютерах, серверах та робочих станціях IBM середнього рівня, в Apple Macintosh на базі Power PC (в минулому), в Nintendo Gamecube та Wii, Microsoft Xbox 360 та Sony PlayStation 3, та в багатьох вбудованих реалізаціях, таких як принтери та автомобілі.
3. 4.     Sun SPARC
4. Hewlett-Packard PA-RISC, також відомий як HP/PA (виробництво зупинено).
5. 6.     DEC Alpha.
6. Процесор XAP використовується в багатьох безпровідних (Bluetooth, wifi) контролерах.
7. Hitachi SuperH, широко використовувався в Sega Super 32X, Saturn та Dreamcast.
8. Atmel AVR використовується в різних пристроях від маніпуляторів Xbox до автомобілів BMW.

5. Архітектура ARM

Архітектура ARM (первісно Advanced RISC Machine — поліпшена RISC машина, попередник Acorn RISC Machine) — 32-бітна RISC архітектура процесорів, яку розробила компанія ARM Limited. Широко застосовується у розробці портативних пристроїв. Головною причиною цього є використання енергоощадних технологій. Саме тому ця архітектура домінує у пристроях, головною ідеєю яких є енергоощадність.

Сьогодні сімейство ARM займає приблизно 75 % всіх портативних 32-бітних RISC процесорів, що робить його найвикористовуванішим серед усіх 32-бітних архітектур. Процесори ARM знайшли своє застосування у багатьох пристроях (мобільні телефони і смартфони, планшети, КПК, цифрові аудіоплеєри, калькулятори, ігрові консолі тощо), комп'ютерній периферії: маршрутизатори, NAS-сервери, апаратні брендмауери.