Архитектура МП

Если предположить, что влияние каждого отдельного фактора в некоторой программе таково, что позволяет достичь 85% пиковой производительности, то их суммарное воздействие снизит реальную производительность менее, чем до 20% от пика!

Суммарное влияние отрицательных факторов на производительность компьютера

Заканчиваем с негативными факторами и переходим к выводам.

Что следует из проведенного анализа архитектуры суперкомпьютера CRAY Y-MP C90? Выводов можно сделать много, но главный помогает сразу понять причину низкой производительности неоптимизированных программ, в частности программ, перенесенных с традиционных последовательных компьютеров. Дело в том, что на производительность реальных программ одновременно оказывают влияние в той или иной степени одновременно ВСЕ перечисленные выше факторы. В самом деле, программы не бывают векторизуемыми на все 100% --- всегда есть некоторая инициализация, ввод/вывод или что-то подобное. Вместе с этим обязательно будет присутствовать какое-то число конфликтов в памяти плюс, быть может легкая, несбалансированность в использовании функциональных устройств. Для части операций может не хватать каналов чтения/записи, векторных регистров и т.д. по всем изложенным выше факторам (плюс влияние компилятора -- что-то не векторизовал, что-то сделал не эффективно и т.д.).

Вывод: если хотим добиться хорошей производительности компьютера, то принимать во внимание необходимо все указанные выше факторы одновременно, минимизируя их суммарное проявление в программе.

По признакам микропроцессорного ядра микроконтроллеры и собственно микропроцессоры могут быть разделены на следующие основные группы:

• ­CISC (Complete Instruction Set Computing - вычисления с полным набором команд) – архитектурой, характеризуемой полным набором команд;
• ­RISC (Reduce Instruction Set Computing - вычисления с сокращённым набором команд) – архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один машинный такт;
• ­с архитектурой фон Неймана – память программ и память данных находятся в едином пространстве адресов и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти, кроме контекста программы;
• ­с архитектурой Гарвардской лаборатории – память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним;
• ­с фиксированной разрядностью и фиксированным списком команд (однокристальные);
• ­с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением, позволяющим разработчику создавать собственные машинные команды, дополняющие начальный список;
• ­с преобладающей регистровой архитектурой и развитой системой регистровой адресации;

Микропроцессоры первых поколений относились к CISC-категории, но практика и исследования показали, что наиболее эффективно используются команды из ограниченного списка. Это послужило основной предпосылкой для разработки RISC-процессоров, некоторые из которых имеют набор из сорока (и менее) простых команд, в состав которых может, например, не входить деление и умножение, выполняемые программными процедурами. Ограниченный набор команд позволяет упростить архитектуру микропроцессора, поднять тактовую частоту и обеспечить выполнение всех команд в один машинный такт. Все это приводит к увеличению производительности и уменьшению стоимости микропроцессоров. Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 80-х годов в Стэндфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC-микропроцессоры выполняли 150—250.

Характерные особенности RISC-процессоров:

• фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды,
• ­одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или запись,
• ­операции вида “прочитать-изменить-записать” отсутствуют и выполняются программно,
• ­большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Кроме приведенной выше классификации существует разделение микроконтроллеров на семейства по комплексу признаков, представляющих архитектурные, программные и другие особенности. В некоторых

5. Виды МК: встраиваемые МК, МК с ВП, цифровые сигнальные процессоры, их назначение, структурные схемы. Гарвардская и Принстонская архитектуры. Модульная организация МК (привести структурную схему)

МК – самостоятельная компьютерная система, содержащая процессор, вспомогательные схемы и УВВ, размещенные в одном корпусе

МК, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам.

Основные типы МК:

- встраиваемые. 8-разрядные. Все ресурсы располаг. на одном кристалле с процессорным ядром. Необходимо подать питание и тактовые сигналы. Могут базироваться на существующем микропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данного МК. Основное назначение – обеспечить с помощью недорогих средств гибкое (программируемое) управление объектами и связь с внешними устройствами. Не предназначены для реализации комплекса сложных функций, но способны обеспечить эффективное управление во многих областях применения. Содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав обычно входят: схема начального запуска; генератор тактовых импульсов; ЦП; память программ E(E)PROM; программный интерфейс; память данных; средства ввода-вывода; таймеры,. Тактовая частота обычно не превышает 10-20 МГц. Основной фактор, ограничивающий скорость, – время доступа к памяти, применяемой в МК. Закрытая архитектура. Структура встраиваемых МК:

- с ВП (16, 32-разрядные). Классический пример – Intel 80188 – МП 8088, интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций (прерывания, прямой доступ к памяти DMA). Предназначены для приложений, требующих большого объема памяти данных и небольшого количества портов (контроллер жесткого диска с буферной кэш-памятью, обеспечивающий промежуточное хранение и распределение больших объемов данных)

Структура МК с ВП:

Для МК с внешней памятью наиболее подходящими являются приложения, в которых критическим ресурсом является память, а не число входов-выходов общего назначения, тогда как для встраиваемых микроконтроллеров имеет место противоположная ситуация.

- цифровые сигнальные процессоры (DSP, Digital Signal Processor) – относительно новый тип МК. Назначение – получать текущие данные от аналоговой системы и формировать соответствующий отклик. Работают с очень высокой скоростью, что позволяет выполнять обработку данных в реальном времени. Используются в активных шумоподавляющих микрофонах или для подавления раздвоения изображения в телевизионных сигналах. Не предназначены для автономного применения. Обычно входят в состав систем обработки сигналов или используются для управления внешним оборудованием

Принстонская архитектура МК (архитектура фон Неймана):

Принстонский университет разработал компьютер с общей памятью для хранения программ и данных. Блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещаемых в памяти или внутренних регистрах. Может показаться, что блок интерфейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако эта проблема решается предварительной выборкой. Основное преимущество принстонской архитектуры – то, что она упрощает устройство МП, так как реализует обращение только к одной общей памяти

Гарвардская архитектура МК:

Данные двунаправленные, справа то же самое

Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки памяти. В Гарвардской архитектуре, обеспечивающей более высокую степень параллелизма операций, выполнение текущей операции может совмещаться с выборкой следующей команды. Команда также выполняется за два цикла, но выборка очередной команды производится одновременно с выполнением предыдущей. Таким образом, команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды).

Основные характеристики, определяющие производительность процессорного ядра МК:

- набор регистров для хранения промежуточных данных

- система команд процессора

- способы адресации операндов в пространстве памяти

- организация процессов выборки и исполнения команды

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров:

- процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд

- процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд

Модульная организация МК:

Отличительные признаки современных 8-разрядных МК:

- модульная организация: на базе одного процессорного ядра проектируется несколько микроконтроллеров, отличающихся объемом и типом памяти программ, памяти данных, набором периферийных модулей

- закрытая архитектура: на выводах корпуса нет линий магистралей адреса и данных. МК – законченная система, наращивание возможностей которой не предполагается

- использование типовых периферийных модулей, имеющих незначительные отличия в микроконтроллерах различных производителей

- расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальной функцией микроконтроллера

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат одно и то же процессорное ядро и изменяемый функциональный блок, различный для разных микроконтроллеров

.

Дата добавления: 2015-05-09