Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ)

Альметьевский филиал

Кафедра Естественнонаучных дисциплин и информационных технологий

09.03.01 Информатика и вычислительная техника

Реферат

по дисциплине: «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»

на тему: «Суперскалярные процессоры»

Хабибуллин А.А.,

обучающийся гр. 24273

Альметьевск 2023

Содержание

• Введение
• 1. Определение и классификация суперскаларных процессоров
• 2. История появления суперскаларные процессоров
• 3. Архитектура суперскалаярного процессора
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Информационные технологии являются в настоящее время одной из наиболее бурно развивающихся областей науки и техники. Такое развитие опирается на две составляющие: прогресс в области аппаратного и программного обеспечения. Основой любой аппаратуры в области вычислительной техники являются микропроцессоры различных типов. Их развитие идет колоссальными темпами.

Процессор - мозг компьютера, выполняющий набор инструкций, которые получаются после трансляции программ с языков высокого уровня в машинный уровень. Все это происходит за кулисами и обычным пользователям знать, что там происходит не требуется, однако людям называющих себя программистами, должны хотя бы иметь представление как организована работа компьютера при участии памяти, процессора, операционных систем и, наконец, программ прикладного уровня. [6]

Поскольку возможности по совершенствованию элементной базы приближаются к пределу, дальнейшее повышение производительности вычислительных машин лежит в плоскости архитектурных решении. Одни из наиболее эффективных подходов в этом плане - введение в вычислительный процесс различных уровней параллелизма. Этим целям служат конвейеры команд и арифметические конвейеры, где конвейеризации подвергается процесс выполнения арифметических операций.

Дополнительный уровень параллелизма реализуется в векторных и матричных процессорах, но только при обработке многокомпонентных операндов типа векторов и массивов. Здесь высокое быстродействие достигается за счет одновременной обработки всех компонентов вектора или массива, однако подобные операнды характерны лишь для достаточно узкого круга решаемых задач.

Основной объем вычислительной нагрузки обычно приходится на скалярные вычисления, то есть на обработку одиночных операндов, таких, например, как целые числа. Для подобных вычислений дополнительный параллелизм реализуется значительно сложнее, но тем не менее возможен и примером могут служить суперскалярные процессоры.

Целью работы является исследование суперскалярных процессоров.

Задачи:

1) Исследовать определение, историю появления и классификацию;

2) Исследовать архитектуру и принцип работы.

1. Определение и классификация суперскаларных процессоров

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). [1, с. 5]

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

В общем случае все центральные процессоры, одночиповые микропроцессоры и многочиповые реализации выполняют программы, производя следующие шаги [3, с. 135]:

1) чтение инструкции и ее декодирование;

2) поиск всех связанных данных, необходимых для обработки инструкции;

3) обработка инструкции;

4) запись результатов.

Эта последовательность выглядит просто, но осложняется тем фактом, что иерархия памяти (где располагаются инструкции и данные), которая включает в себя кэш, основную память и энергонезависимые устройства хранения, такие как жесткие диски, всегда была медленнее самого процессора. Шаг 2 часто привносит длительные (по меркам центрального процессора) задержки, пока данные поступают по компьютерной шине.

В настоящее время существуют два направления развития микропроцессоров:

* RISC-процессоры (процессоры с сокращенным набором команд);

* CISC-процессоры (процессоры с полным набором команд).

Скалярный процессор - это простейший класс микропроцессоров. Скалярный процессор обрабатывает один элемент данных за одну инструкцию (SISD, Single Instruction Single Data), типичными элементами данных могут быть целые или числа с плавающей запятой. В векторных процессорах (SIMD, Single InstructionMultiple Data), в отличие от скалярных, одна инструкция работает с несколькими элементами данных. [1, с. 5]

Суперскалярный процессор (англ. superscalarprocessor) - процессор, поддерживающий так называемый параллелизм на уровне инструкций (то есть, процессор, способный выполнять несколько инструкций одновременно) за счёт включения в состав его вычислительного ядра нескольких одинаковых функциональных узлов (таких как АЛУ, FPU, умножитель (integermultiplier), сдвигающее устройство (integershifter) и другие устройства). Планирование исполнения потока инструкций осуществляется динамически.

суперскалярный процессор вычислительный ядро

2. История появления суперскаларные процессоров

Первой в мире суперскалярной ЭВМ была CDC 6600 (1964 года), разработанная Сеймуром Крэем. В СССР первой суперскалярной ЭВМ считался компьютер «Эльбрус», разработка которого велась в 1973-1979 годах в ИТМиВТ. Основным структурным отличием Эльбруса от CDC 6600 (кроме совершенно другой видимой программисту системы команд - стекового типа) являлось то, что все узлы в нём были конвейеризованы, как в современных суперскалярных микропроцессорах. На основании этого факта Б.А. Бабаян заявлял о приоритете советских ЭВМ в вопросе построения суперскалярных вычислительных машин, однако уже следующая за CDC 6600 машина фирмы Control Data, CDC 7600 (англ.), созданная в 1969 году, за 4 года до начала разработки «Эльбруса», имела конвейеризацию исполнительных устройств. Кроме того, несколько ранее (в 1967 году) фирмой IBM была выпущена машина IBM 360/91, использующая внеочередное исполнение, переименование регистров и конвейеризацию исполнительных устройств. [4]

Первыми промышленными суперскалярными однокристальными (англ. single-chip) микропроцессорами стали микропроцессор MC88100 1988 года фирмы Motorola, микропроцессор Intel i960CA 1989 года и микропроцессор 29050 серии AMD 29000 1990 года. Первым же коммерчески широкодоступным суперскалярным микропроцессором стал i960, вышедший в 1988 году. В 1990-е годы основным производителем суперскалярных микропроцессоров стала фирма Intel. [5]

Все процессоры общего назначения, разработанные примерно с 1998 года, кроме процессоров, используемых в устройствах с низким энергопотреблением, во встраиваемых системах и в устройствах, питаемых от батареек, являются суперскалярными.

Процессоры Pentium с микроархитектурой P5 (англ.) стали первыми суперскалярными процессорами архитектуры x86. Микропроцессоры Nx586.

3. Архитектура суперскалаярного процессора

Рисунок 1. Архитектура суперскалярного процессора

Структура типичного суперскалярного процессора показана на рис. 1. Процессор включает в себя шесть блоков: выборки команд, декодирования команд, диспетчеризации команд, распределения команд по функциональным блокам, блок исполнения и блок обновления состояния. [2, стр. 421]

Блок выборки команд извлекает команды из основной памяти через кэш-память команд. Этот блок хранит несколько значений счетчика команд и обрабатывает команды условного перехода.

Блок декодирования расшифровывает код операции, содержащийся в извлеченных из кэш-памяти командах. В некоторых суперскалярных, процессорах, например в микропроцессорах фирмы Intel, блоки выборки и декодирования совмещены.

Блоки диспетчеризации и распределения взаимодействуют между собой и в совокупности играют в суперскалярном процессоре роль контроллера трафика. Оба блока хранят очереди декодированных команд. Очередь блока распределения часто рассредоточивается по несколько самостоятельным буферам - накопителям команд или схемам резервирования (reservationstation), - предназначенным для хранения команд, которые уже декодированы, но еще не выполнены. Каждый накопитель команд связан со своим функциональным блоком (ФБ), поэтому число накопителей обычно равно числу ФБ, но если в процессоре используется несколько однотипных ФБ, то им придается общий накопитель. По отношению к блоку диспетчеризации накопители команд выступают в роли виртуальных функциональных устройств. Оба вида очередей показаны на рис. 2. В некоторых суперскалярных процессорах они объединены в единую очередь.

Рисунок 2. Очереди диспетчеризации и распределения

В дополнение к очереди, блок диспетчеризации хранит также список свободных функциональных блоков, называемый табло (Scoreboard). Табло используется для отслеживания состояния очереди распределения. Один раз за цикл блок диспетчеризации извлекает команды из своей очереди, считывает из памяти или регистров операнды этих команд, после чего, в зависимости от состояния табло, помещает команды и значения операндов в очередь распределения. Эта операция называется выдачей команд. Блок распределения в каждом цикле проверяет каждую команду в своих очередях на наличие всех необходимых для ее выполнения операндов и при положительном ответе начинает выполнение таких команд в соответствующем функциональном блоке.

Блок исполнения состоит из набора функциональных блоков. Примерами ФБ могут служить целочисленные операционные блоки, блоки умножения и сложения с плавающей запятой, блок доступа к памяти. Когда исполнение команды завершается, ее результат записывается и анализируется блоком обновления состояния, который обеспечивает учет полученного результата теми командами в очередях распределения, где этот результат выступает в качестве одного из операндов.

Как было отмечено ранее, суперскалярность предполагает параллельную работу максимального числа исполнительных блоков, что возможно лишь при односменном выполнении нескольких скалярных команд. Последнее условие хорошо сочетается с конвейерной обработкой, при этом желательно, чтобы в суперскалярном процессоре было несколько конвейеров, например два или три.

Подобный подход реализован в микропроцессоре IntelPentium, где имеются два конвейера, каждый со своим АЛУ (рис. 3). Отметим, что здесь, в отличие от стандартного конвейера, в каждом цикле необходимо производить выборку более чем одной команды. Соответственно, память ВМ должна допускать одновременное считывание нескольких команд и операндов, что чаще всего обеспечивается за счет ее модульного построения.

Рисунок 3. Суперскалярный процессор с двумя конвейерами

Более интегрированный подход к построению суперскалярного конвейера показан на рис. 4. Здесь блок выборки (ВК) извлекает из памяти более одной команды и передает через ступени декодирования команды и вычисления адресов операндов в блок выборки операндов (ВО). Когда операнды становятся доступными, команды распределяются по соответствующим исполнительным блокам. Обратим внимание, что операции «Чтение», «Запись» и «Переход» реализуются самостоятельными исполнительными блоками. Подобная форма суперскалярного процессора используется в микропроцессорах PentiumII и PentiumIII фирмы Intel, а форма с тремя конвейерами - в микропроцессоре Athlon фирмы AMD.

Рисунок 4. Суперскалярный конвейер со специализированными исполнительными блоками

По разным оценкам, применение суперскалярного подхода приводит к повышению производительности ВМ в пределах от 1,8 до 8 раз.

Для сравнения эффективности суперскалярного и суперконвейерного режима рис. 5 показан процесс выполнения восьми последовательных скалярных команд. Верхняя диаграмма иллюстрирует суперскалярный конвейер, обеспечивающий каждом тактовом периоде одновременную обработку двух команд. Отметим, что возможны суперскалярные конвейеры, где одновременно обрабатывается большее количество команд.

Рисунок 5. Сравнение суперскалярного и суперконвейерного подходов

В процессорах некоторых ВМ реализованы как суперскалярность, так и суперконвейеризация (рис. 6). Такое совмещение имеет место в микропроцессорахAthlon и Duron фирмы AMD, причем охватывает оно не только конвейер команд, но и блок обработки чисел в форме с плавающей запятой.

Рисунок 6. Сравнение эффективности стандартной суперскалярной и совмещенной схем суперскалярных вычислений

Заключение

Основным источником в работе была книга Цилькера и Орлова «Организация ЭВМ и систем», а также для лучшего понимания микропроцессорной архитектуры «Микропроцессорные системы» Гурова и «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» Степина.

На основе изученных материалов были сделаны следубщие выводы:

Суперскалярный процессор является логическим развитием скалярных процессоров с целью повышения вычислительных мощностей. Данный процессор поддерживает так называемый параллелизм на уровне инструкций за счёт включения в состав его вычислительного ядра нескольких одинаковых функциональных узлов (таких как АЛУ, FPU, умножитель (integermultiplier), сдвигающее устройство (integershifter) и другие устройства). Планирование исполнения потока инструкций осуществляется динамически.

Первой в мире суперскалярной ЭВМ была CDC 6600 (1964 года), разработанная Сеймуром Крэем. В СССР первой суперскалярной ЭВМ считался компьютер «Эльбрус», разработка которого велась в 1973-1979 годах в ИТМиВТ.

Суперскаларный процессор включает в себя шесть блоков: выборки команд, декодирования команд, диспетчеризации команд, распределения команд по функциональным блокам, блок исполнения и блок обновления состояния.

Таким образом, поставленные задачи решены, а цель достигнута.

Список использованных источников

1. Гуров, В.В. Микропроцессорные системы: учебное пособие / В.В. Гуров. - Москва: ИНФРА-М, 2022. - 336 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. - (Высшее образование: Бакалавриат). - DOI 10.12737/7788. - ISBN 978-5-16-009950-7. - Текст: электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1816816 (дата обращения: 07.01.2023). - Режим доступа: по подписке.

2. Орлов, С.А. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер. - 3-е изд. - Санкт-Петербург: Питер, 2021. - 688 с. - (Серия «Учебник для вузов»). - ISBN 978-5-4461-9641-8. - Текст: электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1857028 (дата обращения: 07.01.2023). - Режим доступа: по подписке.

3. Степина, В.В. Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем: учебник / В.В. Степина. - Москва: ИНФРА-М, 2021. - 288 с. - (Среднее профессиональное разование). - ISBN 978-5-906923-19-6. - Текст: электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1460280 (дата обращения: 07.01.2023). - Режим доступа: по подписке.

4. Суперскалярность. - Текст: электронный // Википедия: [сайт]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Суперскалярность (дата обращения: 07.01.2023).

5. Superscalarprocessor. - Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. - URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Superscalar_processor (дата обращения: 07.01.2023).

6. КАК РАБОТАЕТ ПРОЦЕССОР | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ [видеозапись] // YouTube. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch? v=k9wK2FThEsk

Размещено на Allbest.ru