Такт работы процессора это

Содержание
  1. Содержание
  2. Частота синхросигнала [ править | править код ]
  3. В процессорной технике [ править | править код ]
  4. Содержание
  5. Архитектура фон Неймана
  6. Устройство управления
  7. Арифметико-логическое устройство
  8. Микропроцессорная память
  9. Интерфейсная система микропроцессора
  10. Генератор тактовых импульсов (internal clock)
  11. Команда, инструкция (instruction)
  12. Цикл процессора
  13. Такт работы процессор
  14. Регистры
  15. Цикл команды
  16. Системы команд и соответствующие классы процессоров
  17. Классы команд
  18. SlMD – процессы (команды)
  19. Таблица классификации Флинна
  20. Динамическое исполнение (dynamic execution technology)
  21. Предсказание ветвлений
  22. Внеочередное выполнение (выполнение вне естественного порядка – out-of-order execution
  23. Переименование (ротация) регистров (register rename
  24. Выполнение по предположению (спекулятивное – speculative
  25. Предикации
  26. Опережающее чтения
  27. Многократное декодирование команд
  28. Декодирование команд CISC/RISC в VLIW
  29. Декодирование команд CISC VLIW в RISC
  30. Макрослияние (macrofusion)
  31. Микрослияние (micro-op fusion)
  32. Технология Hyper-Threading (НТ)
  33. Технологии «невыполнимых битов»
  34. Дополнительная информация по теме

Тактовый сигнал или синхросигнал — сигнал, использующийся для согласования операций одной или более цифровых схем.

Синхросигнал обычно имеет форму меандра и колеблется между высоким и низким логическими уровнями.

Активным уровнем тактового сигнала принято называть момент переключения из одного состояния в другое. Активным уровнем является высокий уровень, если схема переключается в момент, задаваемый фронтом синхросигнала, то есть когда синхросигнал переключается из нижнего уровня в верхний. Если переключение происходит по срезу синхросигнала, то активный уровень — низкий.

Содержание

Частота синхросигнала [ править | править код ]

Та́ктовая частота́ — частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы, то есть количество синхронизирующих тактов, поступающих извне на вход схемы за одну секунду. Обычно термин употребляется применительно к компонентам компьютерных систем. В самом первом приближении тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду. Однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться различное количество тактов (обычно от долей такта до десятков тактов), а кроме того, системы, использующие конвейерную и параллельную обработку, могут на одних и тех же тактах выполнять одновременно несколько операций.

Период синхросигнала (clock period) — отрезок времени между соседними переключениями, совершаемыми в одном и том же направлении.

Частота синхросигнала (clock frequency) — величина, обратная периоду.

Скважность синхросигнала — отношение периода синхросигнала к длительности его активного состояния (скважность меандра равна двум).

Коэффициент заполнения — величина, обратная скважности.

В процессорной технике [ править | править код ]

Такт процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора.

Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.

Процессор — У этого термина существуют и другие значения, см. Процессор (значения). Запрос «ЦП» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Intel Celeron 1100 Socket 370 в корпусе FC PGA2, вид снизу … Википедия

Процессор — центральное устройство ЦВМ, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины. Иногда вместо термина «П.» употребляют… … Большая советская энциклопедия

Конвейер (процессор) — У этого термина существуют и другие значения, см. Конвейер (значения). Простой пятиуровневый конвейер в RISC процессорах (IF (англ. Instruction Fetch) получение … Википедия

Цифровой сигнальный процессор — (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени) … Википедия

Центральный процессор — Intel 80486DX2 в керамическом корпусе PGA. Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид снизу. Intel Celeron 400 socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид сверху … Википедия

ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР — (Graphics Processing Unit, GPU) микропроцессор (см. МИКРОПРОЦЕССОР), специализированный для обработки графической информации. Он берет на себя часть функций по формированию трехмерного (3D) изображения и позволяет разгрузить центральный… … Энциклопедический словарь

Echelon (процессор) — Эта статья содержит информацию о запланированном или ожидаемом будущем чипе. Статья может содержать предварительную и недостоверную информацию и не отображать правильную окончательную спецификацию чипа … Википедия

Cyrix 6×86 — Cyrix 6x86MX PR200 Cyrix 6×86 (кодовое название M1) шестое поколение 32 битных процессоров, разработанных фирмой Cyrix и выпущенных IBM и SGS Thomson в 1996 году. Содержание … Википедия

Intel i860 — (также известен как 80860 и под кодовым названием N10) RISC микропроцессор компании Intel, впервые выпущенный в 1989 году. Вместе с i960 является одной из первых попыток сделать полностью новую систему команд после провала Intel i432 в 1980 … Википедия

i860 — (также известен как 80860 и под кодовым названием N10) RISC микропроцессор компании Intel, впервые выпущенный в 1989 году. Вместе с i960 является одной из первых попыток сделать полностью новую систему команд после провала iAPX 432 в 1980 х … Википедия

Содержание

Архитектура фон Неймана

В 1945 года в отчете по ЭВМ EDVAC Дж. фон Нейман сформулировал основные принципы построения ЭВМ. Вычислительная система, согласно фон Нейману, должна включать следующие компоненты: центральное арифметическое устройство; центральное устройство управления; главную память; устройства ввода-вывода.

По прошествии более полувека большинство компьютеров так и имеют «фон неймановскую архитектуру».

Процессором является определенная функционально полная совокупность устройств, которая регулирует, управляет и контролирует соответствующий рабочий процесс. В персональных компьютерах таким рабочим процессом является процесс обработки данных, а сама совокупность устройств называется процессором.

Читайте также:  Этап разработки любого проекта

В состав микропроцессора входят несколько типовых компонентов. Подробнее читайте далее.

Устройство управления

Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса слов (ячеек) памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических (обычно это короткие операции – с фиксированной точкой, ФТ) и логических операций над числовой и символьной информацией.

Микропроцессорная память

Микропроцессорная память (МПП, или кэш память 1-го уровня – L1 cache) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины.

Интерфейсная система микропроцессора

Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК.

Генератор тактовых импульсов (internal clock)

Генератор тактовых импульсов (internal clock) генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора – электронные часы реального времени, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени.

Перечислим далее основные понятия, связанные с работой процессора.

Команда, инструкция (instruction)

Команда, инструкция (instruction) – описание операции, которую нужно выполнить. Каждая команда начинается с кода операции (КОП), содержит необходимые адреса, характеризуется форматом, который определяет структуру команды.

Команды подразделяются на арифметические, логические, ввода/вывода, передачи данных. Каждая команда выполняется в компьютере за один либо несколько тактов.

Цикл процессора

Цикл процессора – период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессор

Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internal clock) генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Такт процессора (такт синхронизации) – квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция – выборка, сравнение, пересылка данных. Выполнение короткой команды – арифметика с ФТ, логические операции, обычно занимает пять тактов:

  • выборка команды;
  • расшифровка кода операции (декодирование);
  • генерация адреса и выборка данных из памяти;
  • выполнение операции;
  • запись результата в память.

Процедура, соответствующая такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микропрограммой.

Регистры

Регистры – устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера. Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым. Некоторые регистры служат счетчиками. Счетчик является устройством, которое на своих выходах выдает (в двоичной форме) сумму числа импульсов, подаваемых на его единственный вход. Максимальное число импульсов, которое счетчик может подсчитать, называется его емкостью.

Регистры общего назначения (РОН, General Purpose Registers) – общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти.

Регистр команды (РК, Instruction Register IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Регистр – (РАК) счетчик (СчАК) адреса команды (program counter, PC) – регистр, содержащий адрес текущей команды.

Сумматор – регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. (Иногда РЧ и РР включают в состав сумматора).

Существуют и другие регистры, например, регистр состояния – Status Register (SR). Типичным содержанием SR является информация о результатах завершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, перенос и прочее). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов (например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»).

Цикл команды

Цикл выполнения короткой команды может выглядеть следующим образом.

1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адресу 2478» величина 2478 сразу заносится в СчАК, и процессор переходит к выполнению следующей команды).

Типичная команда содержит:

  • код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия;
  • номера индексного (ИР) и базисного (БР) регистров;
  • адреса операндов A1, А2 и так далее

2. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды.

3. Адреса A1, А2 и прочие, помещаются в регистры адреса.

4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА – фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде.

5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ.

6. Выполнение операции и помещение результата в PP.

7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).

8. Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде).

Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно распараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть прочитана следующая команда. При выполнении операции возможна расшифровка следующей команды и так далее Все это является предпосылкой построения так называемых конвейерных структур (pipeline). Однако все это хорошо только при последовательном (естественном) порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по не определенному заранее условию) нарушает эту картину. Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction).

Системы команд и соответствующие классы процессоров

Основные команды ЭВМ классифицируются вкратце следующим образом: по функциям (выполняемым операциям), направлению приема-передачи информации, адресности.

Читайте также:  Чем подкрашивают бытовой газ

Классы команд

1. Команды обработки данных, в том числе (01 – первый операнд, 02 – второй):

1.1. Короткие операции (один такт).

– логическое сложение (для каждого бита 01 и 02 осуществляется операция ИЛИ;

– логическое умножение (для каждого бита О! и 02 осуществляется операция И;

– инверсия (в O1 все единицы заменяются на нули, и наоборот);

– сравнение логическое (если O1=02, то некий регистр устанавливается в 1, иначе – в 0).

– сложение или вычитание операндов;

– сравнение арифметическое (если O1 > O2, или O1=O2, или O1 Стек регистров с ПЗ и ММХ-регистры

Эти регистры доступны в стековом порядке. Имена (номера) регистров устанавливаются относительно вершины стека (ST (0) – вершина стека, ST(1) – следующий регистр ниже вершины стека, ST (2) – второй после вершины стека и так далее). Вводимые данные таким образом всегда сдвигаются «вниз» от вершины стека, а текущая операция совершается с содержимым вершины стека.

SlMD – процессы (команды)

Г. Флинном в 1966 году была предложена классификация ЭВМ и вычислительных систем (в основном – суперкомпьютеров), основанная на совместном рассмотрении потоков команд и данных. В процессорах таких известных производителей как Intel и AMD все более полно используются некоторые из этих архитектурных наработок.

Таблица классификации Флинна

Поток данных Поток команд
Одиночный Множественный
Одиночный SISD – Single Instruction stream/Single Data stream (Одиночный поток Команд и Одиночный поток Данных – ОКОД) MISD – Multiple Instruction stream/ Single Data stream (Множественный поток Команд и Одиночный поток Данных – МКОД)
Множественный SIMD – Single Instruction stream/Multiple Data stream (Одиночный поток Команд и Множественный поток Данных – ОКМД) MIMD – Multiple Instruction stream/Multiple Data stream (Множественный поток Команд и Множественный поток Данных -МКМД)

Например, в общем случае архитектура SIMD (ОКМД) предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и другое

В микропроцессорах массового выпуска при обработке мультимедийных данных также целесообразно применять подобные решения.

Динамическое исполнение (dynamic execution technology)

Динамическое исполнение – технология обработки данных процессором, обеспечивающая более эффективную работу процессора за счет манипулирования данными, а не просто линейного исполнения списка инструкций.

Предсказание ветвлений

С большой точностью (более 90 %) процессор предсказывает, в какой области памяти можно найти следующие инструкции. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед.

Внеочередное выполнение (выполнение вне естественного порядка – out-of-order execution

Процессор анализирует поток команд и составляет график исполнения инструкций в оптимальной последовательности независимо от порядка их следования в тексте программы, просматривая декодированные инструкции и определяя, готовы ли они к непосредственному исполнению или зависят от результата других инструкций. Далее процессор определяет оптимальную последовательность выполнения и исполняет инструкции наиболее эффективным образом.

Переименование (ротация) регистров (register rename

Чтобы избежать пересылок данных между регистрами в соответствующей команде изменяется адрес регистра, содержащего данные, участвующие в следующей операции. Поэтому вместо пересылки данных в регистр-источник осуществляется трактовка регистра с данными как источника.

Выполнение по предположению (спекулятивное – speculative

Процессор выполняет инструкции (до пяти инструкций одновременно) по мере их поступления в оптимизированной последовательности (спекулятивно). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как предположительные («спекулятивные»). На конечном этапе порядок инструкций восстанавливается.

Существуют следующие варианты спекулятивного выполнения:

  • предикация (predication) – одновременное исполнение нескольких ветвей программы вместо предсказания переходов (выполнения наиболее вероятного);
  • опережающее чтение данных (speculative loading), то есть загрузка данных в регистры с опережением, до того, как определилось реальное ветвление программы (переход управления).

Эти возможности осуществляются комбинированно – при компиляции и выполнении программы.

Предикации

Обычный компилятор транслирует оператор ветвления (например, if-then-else) в блоки машинного кода, расположенные последовательно в потоке. Обычный процессор в зависимости от исхода условия исполняет один из этих базовых блоков, пропуская все другие. Более развитые процессоры пытаются прогнозировать исход операции и предварительно выполняют предсказанный блок. При этом в случае ошибки много тактов тратится впустую. Сами блоки зачастую весьма малы – две или три команды, – а ветвления встречаются в коде в среднем каждые шесть манд. Такая структура кода делает крайне сложным его параллельное выполнение.

При использовании предикации компилятор, обнаружив оператор ветвления в исходной программе, анализирует все возможные ветви (блоки) и помечает их метками или предикатами (predicate). После этого он определяет, какие из них могут быть выполнены параллельно (из соседних, независимых ветвей).

В процессе выполнения программы центральный процессор выбирает команды, которые взаимно независимы и распределяет их на параллельную обработку. Если центральный процессор обнаруживает оператор ветвления, он не пытается предсказать переход, а начинает выполнять все возможные ветви программы.

Таким образом, могут быть обработаны все ветви программы, но без записи полученного результата. В определенный момент процессор наконец «узнает» о реальном исходе условного оператора, записывает в память результат «правильной ветви» и отменяет остальные результаты.

В то же время, если компилятор не «отметил» ветвление, процессор действует как обычно – пытается предсказать путь ветвления и так далее Испытания показали, что описанная технология позволяет устранить более половины ветвлений в типичной программе, и, следовательно, уменьшить более чем в 2 раза число возможных ошибок в предсказаниях.

Читайте также:  Удаление копирование перемещение или вырезание аппендикса

Опережающее чтения

Опережающее чтение (предварительная загрузка данных, чтение по предположению) разделяет загрузку данных в регистры и их реальное использование, избегая ситуации, когда процессору приходится ожидать прихода данных, чтобы начать их обработку.

Прежде всего, компилятор анализирует программу, определяя команды, которые требуют приема данных из оперативной памяти. Там, где это возможно, он вставляет команды опережающего чтения и парную команду контроля опережающего чтения (speculative check). В то же время компилятор переставляет команды таким образом, чтобы центральный процессор мог их обрабатывать параллельно.

В процессе работы центрального процессора встречает команду опережающего чтения и пытается выбрать данные из памяти. Может оказаться, что они еще не готовы (результат работы блока команд, который еще не выполнился). Обычный процессор в этой ситуации выдает сообщение об ошибке, однако система откладывает «сигнал тревоги» до момента прихода процесса в точку «команда проверки опережающего чтения». Если к этому моменту все предшествующие подпроцессы завершены и данные считаны, то обработка продолжается, в противном случае вырабатывается сигнал прерывания.

Многократное декодирование команд

В то время как традиционный процессор линейно переводит команды в тактовые микрокоманды и последовательно их выполняет, центральный процессор с многократным декодированием сначала преобразует коды исходных команд программы в некоторые вторичные псевдокоды (предварительное декодирование, или предекодирование), которые затем более эффективно исполняет ядро процессора. Эти преобразования могут содержать несколько этапов. В качестве примеров рассмотрим 2-3-ступенчатые декодеры.

  • a – преобразование CISC/RISC в VLIW;
  • б – преобразование VLIW/CICS в RISC;
  • в – макрослияние;
  • г – микрослияние

Декодирование команд CISC/RISC в VLIW

Декодирование команд CISC/RISC в VLIW. Эти технологии использованы в мобильных процессорах Crusoe (фирма Transmeta) и некоторых центральных процессорах Intel – архитектуры IA-64 и EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – вычисления с явной параллельностью инструкций).

В частности, в Crusoe на входе процессора – программы, подготовленные в системе команд Intel х86, однако внутренняя система команд VLIW не имеет ничего общего с командами х86 и разработана для быстрого выполнения при малой мощности, используя обычную CMOS-технологию. Окружающий уровень программного называют программным обеспечением модификации кодов (Code Morphing software – CMS, или CM), здесь осуществляется динамический перевод команд х86 в команды VLIW.

Аналогичные приемы используются в процессорах Intel Itanium – здесь при компиляции готовятся пакеты (связки, bundles) команд (по 3 команды в 128-битовом пакете). Тем самым, компилятор выполняет в данном случае функции СМ.

Декодирование команд CISC VLIW в RISC

Указанные выше достоинства RISC-архитектуры привели к тому, что во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро, выполняющее обработку данных. При этом поступающие сложные и разноформатные команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций, быстро выполняемых этим процессорным ядром. Таким образом, работают, например, современные модели процессоров Pentium и К7, которые по внешним показателям относятся к CISC-процессорам. Использование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных процессоров.

Макрослияние (macrofusion)

В процессорах предыдущих поколений каждая выбранная команда отдельно декодируется и выполняется. Макрослияние позволяет объединять типичные пары последовательных команд (например, сравнение, сопровождающееся условным переходом) в единственную внутреннюю команду-микрооперацию (МкОП, micro-op) в процессе декодирования. В дальнейшем две команды выполняются как одна МкОП, сокращая полный объем работы процессора.

Микрослияние (micro-op fusion)

В современных доминирующих процессорах команды х86 (macro-ops) обычно расчленяются на МкОП прежде, чем передаются на конвейер процессора. Микрослияние группирует и соединяет МкОП, уменьшая их число. Исследования показали, что слияние МкОП вкупе с выполнением команд в измененном порядке может уменьшить число МкОП более чем на 10 процентов. Данная технология использована в системах Intel Core, а ранее апробировалась в ПЦ мобильных систем Pentium М.

В процессорах AMD К8 конвейер строится на том, что работа с потоком МкОП происходит тройками инструкций (AMD называет их линиями – line). Конвейер К8 обрабатывает именно линии, а не х86-инструкции или отдельные микрооперации.

Технология Hyper-Threading (НТ)

Здесь реализуется разделение времени на аппаратном уровне, Разбивая физический процессор на два логических процессора, каждый из которых использует ресурсы чипа – ядро, кэш память, шины, исполнительное устройство.

Благодаря НТ многопроцессная операционная система использует один процессор как два и выдает одновременно два потока команд. Смысл технологии заключается в том, что в большинстве случаев исполнительные устройства процессора далеки от полной загруженности. От передачи на выполнение вдвое большего потока команд повышается загрузка исполнительных устройств.

Технологии «невыполнимых битов»

Технологии «невыполнимых битов» (No-eXecute bit). Бит «NX» (63-й бит адреса) позволяет операционной системе определить, какие страницы адреса могут содержать исполняемые коды, а какие – нет. Попытка обратиться к NX-адресу как к исполняемой программе вызывает событие «нарушение защиты памяти», подобное попытке обратиться к памяти «только для чтения» или к области размещения операционной системы. Этим может быть запрещено выполнение программного кода, находящегося в некоторых страницах памяти, таким образом предотвращая вирусные или хакерские атаки. С теоретической точки зрения, здесь осуществляется виртуальное назначение «Гарвардской архитектуры» – разделение памяти для команд и для данных. Обозначение «NX-bit» используется AMD, Intel использует выражение «XD-bit» (eXecute Disable bit).

Дополнительная информация по теме

Подробное описание истории и устройство процессоров компании AMD, с графическими схемами и сравнительными характеристиками

Подробное описание истории и устройство процессоров компании Intel, с графическими схемами и сравнительными характеристиками

Подробное описание истории и устройство процессоров компании Cyrix с использованием графических схем

Описание разных производителей процессоров, которые не смогли попасть в лидеры процессорного рынка

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector