В целом архитектура процессоров
В целом архитектура процессоров универсального типа развивается в направлении обеспечения наивысшей производительности при минимуме аппаратурных затрат. Прежде всего это достигалось оптимизацией системы команд, во-первых, с точки зрения соответствия частоты используемых команд и длительности их исполнения, а во вторых минимизации числа команд для типовой прог
раммы.
Оптимальная система команд - та, которая обеспечивает прямую пропорциональность между объёмом, затрачиваемого оборудования и частотой используемого оборудования.
Существует две противостоящие друг другу тенденции: расширенного набора команд и сокращённого (RISС –архитектуры). Первая тенденция приводит к аппаратной реализации как можно большего числа команд - до 400 (в том
числе и сложных) с различной длительностью выполнения (СISС –архитектуры).
Максимально возможный набор не ограничен (вплоть до аппаратной реализации ЯВУ).
Однако реализация сложных команд приводит к увеличению оборудования, что требует снижения быстродействия выполнения простых операций.
Эффективность ЭВМ существенно возрастает, если увеличить аппаратную поддержку наиболее часто встречающихся операций, так обращение к памяти отнимает до 50% времени, переходы - 20%, логические операции - 15%.
Во втором случае аппаратно реализуются только очень простые команды, но очень быстро (за один такт) - 30-50операций. (Минимально возможный набор, позволяющий запрограммировать алгоритм любой сложности, состоит из двух команд: вычитания и условного перехода.)
При этом более широко используются регистры (вплоть до введения трёхадресных операций).
То обстоятельство, что наиболее употребительными являются простые команды (регистр-регистр, регистр–память) и эти команды аппаратно выполняются быстрее, привело к формированию концепции процессоров с сокращённым набором команд (RISC – процессоров).
Основные особенности RISC – архитектуры.
1. Доступ к памяти только посредством операций чтения – записи.
2. В АЛУ - большое число регистров.
3. Все арифметические операции выполняются между регистрами.
4. Все команды имеют стандартную длину.
5. Все команды выполняются за один такт.
6. Ограниченное число операций.
7. Мало типов форматов команд.
8. Ограничен набор видов адресации.
Для RISC архитектур производительность в основном определяется тактовой частотой. CISC архитектура позволяет получать более компактные программы.
Однако решение проблемы, как всегда нашлось посередине: реализация набора CISC-команд осуществляется процессором с RISC-архитектурой.
Компромиссом является частично микропрограммный принцип выполнения команд.
Способы реализации управления.
1. Аппаратный принцип управления (схемный).
При таком способе организации управления каждый код операции дешифрируется. Выход дешифратора используется для формирования последовательности сигналов, необходимых для выполнения той или иной операции. Сигналы от разных кодов операции, выполняющие одинаковые функции, объединяются в сборки (по схеме «ИЛИ»). При таком подходе изменение алгоритма выполнения операции или добавление новой протекают весьма болезненно.
2. Принципы микропрограммного управления.
Микропрограммный принцип организации управления заключается в том, что каждой машинной операции ставится в соответствие подпрограмма из более простых операций.
Идея микропрограммирования была предложена в 1951г Уилксом, но всегда сдерживалась быстродействием памяти.
Микропрограммное управление - метод реализации управления цифровыми устройствами, при котором последовательность управляющих сигналов хранится в памяти. Поскольку длительность отдельных управляющих сигналов различна, то за единицу длительности принимается длительность самого короткого сигнала. Совокупность всех управляющих сигналов может быть представлена в виде матрицы, в которой число столбцов есть совокупность всех управляющих сигналов, а строки – многообразие их состояний. Если такую матрицу хранить в памяти в виде последовательности строк, то переход от одного состояния к другому может осуществляться путём смены адреса.
Содержимое такой памяти представляет микропрограмму управления состояниями цифрового устройства.
Как и в обычной программе в микропрограмме может выполняться последовательная выборка, переходы, ветвления, циклы.
Интересно, что сущность МП различными специалистами понимается по-разному.
С точки зрения программиста МП искусство кодирования управляющих воздействий с целью минимизации алгоритма инструкции (операции, команды), основного набора машинных команд.
С точки зрения схемотехника МП – средство формального описания алгоритма выполнения машинной команды.
С точки зрения системотехника МП средство, позволяющее обеспечить оптимальны набор состава машинных команд.
Фирмой Transmeta разработан процессор Crousoe.
Основная его особенность заключается в том, что набор операций реализуется посредством программного слоя, называемого Сode morphing software (CMS). Передача части функций от железа микропрограмме позволила свести к минимуму аппаратные средства. CMS позволила оптимизировать работу пользователя по сравнению с возможностями, предоставляемыми 80Х86. В целом аппаратные затраты уменьшены в 4 раза, что позволило соответственно снизить энергопотребление и стоимость, повысить частоту.CMS. мало зависит от структуры ядра и может развиваться самостоятельно, позволяя проводить модернизацию не меняя ядра и более того - эмулировать любые архитектуры. См. www.transmeta.com
