Микропроцессор и его архитектура Лекция 2 -3. Продолжение.

Микропроцессор и его архитектура Лекция 2 -3. Продолжение. Аппаратные средства вычислительной техники Медведев Н. В. 1

Классификация микропроцессоров 2

Описание – ЦОС Процессоры цифровой обработки сигналов (цифровые сигнальные процессоры) Назначение: решение задач цифровой обработки сигналов: • обработка звуковых сигналов; • обработка изображений; • распознавания образов и т. д. Включают в себя многие черты однокристальных микро-контроллеров: • гарвардскую архитектуру; • встроенную память команд и данных; • развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП. Бурно развиваются!!! 3

МП как электронное изделие характеризуется: • • • Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности (Раньше напряжении питания 15 В, сейчас менее 1 В). Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы. Тип корпуса Температура окружающей среды: – коммерческий (0 0 С … +700 С; – расширенный (-40 0 С … +85 0 С). Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Нагрузочная способность ( коэффициент разветвления по выходу) определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь – разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм. 4

Затраты на изготовление устройств МП: • затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы); • затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы; • общая стоимость микропроцессорной системы; • переход на новую технологию. В 1965 году Гордон Мур. Закон Мура: Каждые 1, 5 -2 года число транзисторов в расчете на одну интегральную схему будет удваиваться. 5

Этапы развития архитектуры универсальных микропроцессоров Вопрос на экзамене! 6

Структура 32 -разрядного универсального микропроцессора 7

1. Процессор обработки чисел с фиксированной точкой Состав: • АЛУ (арифметико-логическое устройство); • Регистры общего назначения. Назначение: • АЛУ предназначено для обработки двоичных чисел длиной 1, 2 или 4 байта без знака или со знаком, а также двоично-десятичных чисел, не превышающих 99. • Блок регистров общего назначения содержит восемь 32 разрядных регистров, часть из которых допускает 16 - и 8 -разрядное обращение. 8

2. Процессор обработки чисел с плавающей точкой FPU (Floating Point Unit) Состав: • АЛУ (арифметико-логическое устройство); • Регистры общего назначения. Назначение: обработка чисел с плавающей точкой, обработка целых чисел со знаком длиной 8 байт и двоично-десятичных чисел величиной от 100 до 99… 9 (18 цифр). 9

3. Блок управления памятью (Memory Management Unit - MMU) Состав: • блок сегментации (или блок сегментного преобразования адреса) • блок страничного преобразования (внутрь входит буфер ассоциативной трансляции адресов страниц (TLB)). Комментарий: В общем случае память в микропроцессоре делится на сегменты, которые, в свою очередь, делятся на страницы. 10

4. Кэш-память представляет собой промежуточную ступень между оперативной памятью и регистрами микропроцессора и предназначена для хранения наиболее часто используемой информации. О кэш памяти чуть позже … 11

5. Блок управления Состав: • устройство управления, то есть та классическая схема, которая под действием кода команды вырабатывает набор управляющих сигналов; • управление защитой памяти: обеспечивает аппаратную защиту программ и данных при управлении памятью и по привилегиям; • блок управления предвыборкой команд: реализует опережающее заполнение буфера команд, представляющего собой некоторую буферную память. • буфер команд имеет емкость 32 байта и заполняется командами из следующих ячеек памяти команд по мере своего освобождения. 12

6. Блок интерфейса внешней шины Функции: • осуществляет согласование параметров внутренней магистрали с сигналами внешних магистралей, • формирование необходимых сигналов на внешнюю магистраль • прием сигналов извне. 7. Внешняя магистраль микропроцессора Состав: • шины адреса; • шины данных; • шина сигналов управления. 13

Сферы применения многоядерных процессоров Широкое внедрение многоядерных технологий позволяет по новому взглянуть на вычислительные возможности компьютеров и порождает всплеск творческой активности по созданию инновационных решений!!! Важные системные задачи теперь могут выполняться постоянно: • непрерывный и упреждающий поиск вирусов; • автоматическое резервное копирование; • интеллектуальная система мониторинга потоков работ; Очень актуально!!! 14

Приложения, обрабатывающие большие файлы данных: • 2 D/3 D САПР (Система автоматизированного проектирования) ; • системы моделирования, средства работы с анимацией; • средства обработки цифровых изображений; • электронные издательские системы; • средства видеомонтажа/рендеринга; • компьютерные игры; • средства поиска/индексирования; • системы потокового мультимедиа; • средства защиты и криптографии. 15

Приложения, нуждающиеся в увеличенном адресном пространстве ОЗУ: • финансовое моделирование; • научные и технические расчеты; • исполняющиеся на сервере приложения. Приложения, работающие с большими массами транзакций/пользователей: • СУБД; • веб-серверы; • серверы электронной почты. 16

Классификация задач высокопроизводительных вычислений 17

Меньшее потребление энергии • компактные высокопроизводительные устройства с низким тепловым излучением; • серверные помещения, позволяющие снизить расход электроэнергии и требования к кондиционированию воздуха; • решения для мобильных ПК с увеличенным временем автономной работы батарей; 18