Компютрите отвътре и отвън карта на книгата

МЕТОДИ ЗА  АДРЕСАЦИЯ

Основни понятия

         Регистри с общо предназначение - компоненти на процесора, с помощта, на които се извършва процеса на адресация. 

        Метод на адресация - начин за манипулиране на командата, чрез който могат да се формиране на адреси на константа, регистър или клетка от паметта. За адресиране на клетка от паметта  процесорът трябва да изчисли действителен или ефективен адрес,чрез зададения в командата метод за адресация.

В таблицата са представени някои от основните методи за адресация. Използван е пример с командата събиране (Add). Използват се следните обозначения:

• 
  Знак "(" - за обозначаване на съответния оператор.
  
• 
  М - обозначаване на памет (Memory).
  
• 
  M[R1] - обозначаване съдържанието на клетка от паметта, адресът на която се определя от съдържанието на регистъра R1.
  

Почти петдесет години в света на процесорите царстваха принципите, заложени от фон Нейман. Съвременните процесори са много по различни от своите предшественици. В тях са заложени нови архитектури и технологични решения, които съществено влияят на функционалността и производителността им.

Става дума за ред нови съществени черти като:

• 
  Суперскаларна архитектура, включваща два или повече конвейера и позволяваща за един такт на процесора да бъдат изпълнени повече от една инструкция;
  
• 
  Предсказване на преходи в програмата, което се реализира чрез специални логически схеми, които определят точката на предаване на управлението в програмата и осигуряват предварителна подготовка за изпълнение на фрагменти от програмата;
  
• 
  Харвардска архитектура с разделяне потока команди и данни с помощта на въвеждане отделни вътрешни блокове кеш памет за съхранение на команди и данни, както и шини за за тяхното предаване
  
• 
  Динамично изпълнение на командите, реализиращо преразпределение на последователността от команди;
  
• 
  Използване на разширен регистров файл с преименуване на регистрите;
  
• 
  Двойна независима шина, съдържаща отделна шина за взаимодействие с кеш паметта L2 (работи с тактовата честота на процесора) и системна шина за обръщения към паметта и външните устройства (работи с тактовата честота на дънната платка).
  
• 
  Наличие на вътрешни средства за самотестиране, настройка и мониторинг на производителността;
  

 КОНВЕЙЕРНА ОБРАБОТКА НА ДАННИ

Компонентите на компютъра във всеки момент  от времето изпълняват едновременно повече от една базова операция. Този метод включва две понятия - паралелизъм и конвейеризация.

 

Паралелизъм

Съвместяването на операциите се постига чрез няколко копия на апаратната структура. Високата производителност се постига за сметка на едновременната работа на всички елементи от структурата. осъществяващи решение на различни части от задачата.

 

Конвейеризация (или конвейерна обработка)

 Базира се на разделяне на подлежащата за изпълнение операция на по-малки части, наричани фази и заделянето за всяка от тях отделен блок апаратура. Производителността в този случай се постига поради това, че в различните фази на конвейера се изпълняват няколко команди.

Всички съвременни процесори използват конвейерната (pipelined) архитектура в различните и варианти. Това означава, че всяка команда  се изпълнява от няколко апаратни блока, обединени в конвейер. Първият процесор, в който се използва това решение е Intel 486, с конвейер от пет фази.

Конвейрите от класически тип са 5 - фазови и включват основните процеси при изпълнение на една инструкция:

Извличане на инструкция  Декодиране на инструкция  Изтегляне на операндите   Изпълнение на инструкцията  Запис на резултата.

В идеалния случай при всеки такт на процесора в конвейера влиза една инструкция и излиза резултата от друга инструкция, а тези които вече се намират на някаква фаза се преместват в следващата.

Като резултат процесорът на всеки такт може да завършва по една инструкция. При някои процесори 5-те основни фази се разделят на многофазни операции, за да се намали сложността на всяка от фазите.

 

Броят на конвейрите в един процесор може да бъде различен и от тях зависи колко инструкции теоретично могат да се обработят за един такт. Процесор с един конвейер се нарича скаларен. При него в началото на конвейера едновременно може да се намира само една инструкция. По - развитите процесори, които включват няколко конвейера се наричат супер скаларни. Те могат да изпълняват повече от една инструкция за такт.

 

Хипер конвейеризация

Съществува взаимозависимост между сложността на командите и елементите на конвейера.

• 
  Колкото по-опростена е една команда, толкова на по-голяма честота е способно да работи изпълняващото я ядро.
  
• 
  Колкото е по-елементарен един елемент на конвейера, толкова с по-голяма скорост той може да се движи.
  
• 
  Елементарния елемент може да реализира само просто действие, следователно количеството на елементите в конвейера трябва да нараства.
  

Всеки съвременен процесор включва в себе си RISC ядро. Фактически той изпълнява съвсем други команди, а не тези, които постъпват от паметта.

Ерата на процесорите пряко изпълняващи  командите на x86-асемблера, завърши с Intel Pentium Pro/II и AMD K5/K6. Всички следващи процесори първо осъществяват преобразуване на  x86-командите в по-прост RISC-подобен код (като правило, една команда се преобразува в няколко), с изпълнението на които се занимава ядрото на процесора.

За целта се използва така наречената Харвардска архитектура на паметта , при която тя се разделя на две части - за инструкции и за данни.

Алтернативния вариант - обща кеш памет предлага предимството на динамичното разпределение на  наличната памет в зависимост от конкретното съотношение на код и данни, но има съществен недостатък - неизбежни конфликти при достъп до инструкции и данни от различни фази на конвейрите.

 

Кеш L2

Разполагането на кеш памет извън кристала изисква определени компромиси  и води до намаляване на производителността.

В съвременните процесори кеш L2, а вече и кеш L3 се вградени в корпуса на процесора. Това дава възможност за реализиране на по ефективна обработка на данните, особено при многопроцесорни системи. 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛНОСТ НА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИНСТРУКЦИИТЕ

При този тип процесорна архитектура  инструкциите се изпълняват в строга последователност. Това е рационален начин за проектиране на процесор,  но за сметка на това се намалява производителността. В този случай  могат да се изпълнят едновременно само прости инструкции,  които са независими една от друга. Процесорите на Intel са типичен представител на тази архитектура.

При стандартния конвейер инструкциите се обработват строго в съответната последователност и в двата конвейера При блокиране на един от конвейрите се блокира и другия, което се отразява сериозно на производителността.

Одна от главните особености на съвременните процесори е динамичното (спекулативно) изпълнение на инструкциите. Под този термин се разбират следните възможности:

• 
  Предсказване на преходите – според Intel  е възможно да се предскажат с вероятност  >90%  -  1015 предстоящи прехода.
  
• 
  Анализ на потока данни  - преглеждане на 20-30  стъпки от програмата и определяне зависимостта на командите от данните или ресурсите.
  
• 
  Изпреварващо изпълнение на командите  - в порядък различен от последователността в програмата.
  

Архитектура, която поддържа изпълнение извън последователността позволява при блокиране на един конвейер другите да продължат работата си. В резултат инструкциите не се изпълняват последователно. Работа на процесора е да запише резултатите в паметта или в регистрите в необходимата последователност. За целта той използва буфер разположен между фазите на декодиране и изпълнение. Там се буферират различните декодирани инструкции, предназначени за различни изпълнителни устройства. Когато процесорът  определи, че дадена инструкция не може да бъде изпълнена в момента, то той изпраща друга.

 

МУЛТИМЕДИЙНИ ИНСТРУКЦИИ НА ПРОЦЕСОРА

Специализирана технология за мултимедийна обработка, която разширява възможностите на процесора, без да променя взаимодействието му с вече съществуващите х86 инструкции.

 

Основни принципи:

Включва нови инструкции, с цел ускоряване обработката на мултимедийни функции.

Разширява възможностите на процесора без да променя поведението му при работа със съществуващите инструкции.

 

История:

 

Intel: ММХ (MultiMedia eXtension) KNI (Katmai New Instructions)  SSE (Streaming SIMD Extensions)  SSE-2

 

AMD: 3Dnow!  3DNow Professional

 

ММХ технология

MMX (Multi-Media eXtension) – това е SIMD-расширение за потокова обработка на целочислени данни.

           SIMD - single-instruction multiple-data (една инструкция - множество данни) – подход, който

използва алгоритм за работа с мултимедийни данни, който се базират на паралелното изпълнение на една операция над няколко числа.  За пръв път тази технология се използва при процесорите Pentium MMX.

Набор от MMX инструкции оперират с 64-битови регистри и обработват данни от типа:

• 
  Опаковани байтове (8 х 8 бит);
  
• 
  Опаковани думи (4 х 16 бит);
  
• 
  Опаковани двойни думи (2 х 32 бит);
  
• 
  Четворна дума (1 х 64 бит).
  

Развитие на идеите SIMD става технология SSE (Streamed SIMD Extensions), за пръв път представена в процесорите Pentium III.

Тя допълва технологията MMX с осем 128-битови регистри и 32-битов регистър за управление на състоянието. Инструкциите SSE оперират с 128-битови данни във формат IEEE-754 single precision.

Наборът  SSE-2 включва 144 нови инструкции, специално ориентирани към обработка на големи входящи потоци данни.

По заявление на Intel, използването на SSE-2,  значително подобрява производителността в мултимедийните приложения. При този подход много операции, съответстващи по рано на цели фрагменти от програмата, могат да се реализират с една или две инструкции SSE-2.