Современные тенденции развития процессоров

регистр инструкций (IR). В  то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать  на последующую инструкцию, а процессор  выполняет инструкцию в IR. Некоторые  инструкции управляют самим Управляющим  Модулем, так если инструкция гласит 'перейти на адрес 2749', величина 2749 записывается в Счетчик Команд, чтобы процессор  выполнял эту инструкцию следующей. Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство (АЛУ), работающее совместно  с Регистрами Общего Назначения - место  для временного хранения, которое  может загружать и выгружать  данные из памяти. Типичной инструкцией АЛУ может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. АЛУ также устанавливает биты Регистра Состояний (Status register - SR) при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Модуль Управления использует информацию в SR для выполнения условных операций, таких как 'перейти по адресу 7410 если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение'. Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным.^[3]

2.1 Алгоритм работы процессора                    

Весь алгоритм работы процессора можно описать в трех строчках

     НЦ

| чтение команды из  памяти по адресу, записанному  в СК

| увеличение СК на длину  прочитанной команды

| выполнение прочитанной  команды

     КЦ

Однако для полного  представления необходимо определить логические схемы выполнения тех  или иных команд, вычисления величин, это функции Арифметико-логического  Устройства.

2.2 Функции регистров, входящих в арифметико-логическое устройство

• Рг1 — аккумулятор (или аккумуляторы) — главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;
• Рг2,Рг3 — регистры операндов (слагаемого/ сомножителя/ делителя/ делимого и др.) в зависимости от выполняемой операции;
• Рг4 — регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает что формирования) адреса операндов результата;
• Рг6 — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;
• Рг7 — l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров  могут быть адресованы в команде  для выполнения операций с их содержимым и их называют программно-доступными. К таким регистрам относятся: сумматор, индексные регистры и некоторые  вспомогательные регистры. Остальные  регистры нельзя адресовать в программе, то есть они являются программно-недоступными.

Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу её обработки  и по логической структуре.^[18]

Такая сложная логическая структура АЛУ может характеризоваться  количеством отличающихся друг от друга  микроопераций, которые необходимы для выполнения всего комплекса  задач, поставленных перед арифметико-логическим устройством. На входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяет реализовать заданные микрооперации. Выполнение операций над словами сводится к выполнению определённых микроопераций, которые сводятся в свою очередь … управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения операций. То есть, связи между регистрами АЛУ и их функциями зависят в основном от принятой методики выполнения логических операций, в том числе арифметических или специальной арифметики.

2.3 Операции в алу

Все выполняемые в АЛУ  операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить  на следующие группы:

• операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
• операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
• операции десятичной арифметики;
• операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
• операции специальной арифметики;
• операции над логическими кодами (логические операции);
• операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микро ЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение деление  («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство.   Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию,  арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ является  логической функцией или последовательностью логических функций описываемых  двоичной логикой для двоичных ЭВМ, троичной логикой для троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, …, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и т. д..^[19]

2.4 Классификация АЛУ

По способу действия над  операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.^[20]

По способу представления  чисел различают АЛУ:

1. для чисел с фиксированной точкой;
2. для чисел с плавающей точкой;
3. для десятичных чисел.

По характеру использования  элементов и узлов АЛУ делятся  на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. ^[19]

По своим функциям АЛУ  является операционным блоком, выполняющим  микрооперации, обеспечивающие приём  из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.^[20]

3. Современные тенденции развития процессоров

Год назад, подводя итог напряженной  борьбы за лидерство на рынке процессоров  для ПК между компаниями Intel и AMD, отдали «пальму первенства» компании AMD, чьи процессоры на тот момент были и производительнее и дешевле  и имели меньшее тепловыделение. За прошедший год ситуация изменилась кардинальным образом, что связано  прежде всего с выходом нового поколения процессоров Intel на основе микроархитектуры Intel Core. И если говорить о сегодняшнем положении дел, то безоговорочное лидерство на рынке процессоров для ПК принадлежит компании Intel.

Когда говорят о процессорах  для ПК, то имеют в виду процессоры либо компании Intel, либо компании AMD (о процессорах других компаний не имеет смысла даже вспоминать в силу их нераспространенности на рынке).   Собственно, именно упорная, ожесточенная конкуренция этих двух гигантов компьютерного рынка и является тем самым двигателем прогресса, который позволяет создавать все более производительные процессоры и от которого в конечном счете выигрывают потребители. Безусловно, обе компании в этом вопросе придерживаются собственного мнения. Острая борьба между Intel и AMD происходит с переменным успехом то одной, то другой компании.   Компания Intel анонсировала новое поколение энергоэффективных процессоров на основе микроархитектуры Intel Core. Семейство процессоров для настольных ПК на основе этой революционной микроархитектуры получило название Intel Core 2 Duo. Собственно, после появления этого нового семейства микропроцессоров, которые по всем параметрам оказались лучше тех, что имеются в арсенале AMD, лидерство вновь захватила компания Intel.

3.1 Характеристики современных процессоров

     Современный  процессор для ПК — это сложнейшее  устройство с множеством технических  характеристик. И однозначного  ответа на вопрос, какой процессор  лучше, просто не существует  в силу того, что нельзя все  характеристики процессора свести  к единому интегральному критерию, который мог бы служить показателем  его качества. Если попытаться классифицировать все характеристики современных процессоров с точки зрения пользователя, то можно выделить четыре основные группы:

• производительность;
• энергоэффективность;
• функциональные возможности;
• стоимость.  

Каждую из этих характеристик  рассмотрим отдельно. ^[2]           

3.2.Энергоэффективность                   
     Еще три - четыре года назад выбор процессора для ПК ограничивался рассмотрением двух составляющих — производительности процессора и его стоимости, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота. Однако времена меняются, и уже сейчас сводить все только к производительности и стоимости — значит сильно упрощать реальную ситуацию. Кроме абсолютной производительности процессоры принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой электроэнергии. Ранее, когда потребляемая процессором мощность составляла всего несколько десятков ватт, на такую характеристику, как энергоэффективность, просто не обращали внимание. Однако при достижении потребляемой процессором мощности рубежа в 100 Вт и даже его превышении энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик процессора. ^[5]

     Процессоры  с высоким энергопотреблением  трудно охлаждать. Приходится  использовать массивные и шумные  кулеры, что исключает возможность  создавать малошумные ПК. Естественно,  оптимальным решением будет производительный  процессор с низким энергопотреблением, что, собственно, и отражено в  понятии энергоэффективности.

     Понятно, что  энергоэффективность процессора, как  и его производительность, не  имеет численного выражения и  в этом смысле не является  технической характеристикой процессора. В то же время энергоэффективность  зависит от таких характеристик,  как микроархитектура процессора, технологический процесс производства, тактовая частота, потребляемая  мощность и поддержка процессором  функции энергосбережения. ^[7]

3.3 Функциональные возможности

     Кроме производительности  и энергоэффективности, современные  процессоры характеризуются набором  поддерживаемых технологий. К примеру, современные процессоры Intel (в зависимости от модели) поддерживают такие технологии, как технология виртуализации  Intel Virtualization Technology (Intel VT), технология защиты от вирусов Execute Disable Bit, технология 64-разрядных вычислений Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T), технология защиты от перегрева Intel Thermal Monitor 2, технологии энергосбережения Enhanced Intel SpeedStep и Enhanced Halt State (C1E).

     В процессорах  AMD тоже присутствуют аналогичные  технологии, но называются они  по-другому, и реализованы несколько  иначе. К примеру, в зависимости от модели, в процессорах AMD могут поддерживаться технология 64-разрядных вычислений AMD 64, технология антивирусной защиты NX Bit, технология виртуализации AMD Virtualization и технология энергосбережения AMD Cool ‘n’ Quiet. ^[21]

3.4 Производительность

     Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на реализацию той или иной задачи, тем выше его производительность. Казалось бы, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако не все так просто.   Рассмотрим простой пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в первом приложении, а второй процессор — во втором. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Ответ здесь отнюдь не тривиален, и реальная ситуация такова, что какие-то процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а какие-то — на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой абсолютной истине), а о производительности на наборе приложений. На производительность процессора оказывают непосредственное влияние его микроархитектуры, размер кэша, тактовая частота и количество ядер процессора. Кроме одноядерных, в настоящее время существует большое многообразие двухъядерных процессоров для ПК. Собственно, переход от одноядерных процессоров к многоядерным — это современный тренд в развитии процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне очевидна. Дело в том, что на протяжении всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности являлось наращивание тактовой частоты. В то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. ^[4]