Шпаргалка по "Архитектуре"

22. Микропроцессорлар  қазіргі  өндіру технологиясы.

     Қазіргі микропроцессорлар секундына 4 млрд. әрекетті іске асыра алады және көптеген әртүрлі технологияларды пайдалана өндіріледі. ХХ ғасырдың 90-жылдарынан бастап, олар бірнеше даму сатыларынан өтті. Микропроцессорлар құрылымының даму шыңы, микпроцессордың 6-буынының технологиясын пайдалана бастауынан негіз алады, 2002 жылы кремнийдің жаңа қасиеттерін қолданудан өндірісте аз шығынмен жоғары жиілілік алынды және логикалық схема жасалды.

       Қазір жаңа процессорлар тиімділігі  кристалдың жиілігінің өсуіне  қарамастан түсіп барады, себебі  кремний технологиясы өз мүмкіндігінің  шегіне жетіп қалды.  Микропроцессор - интегральдық схема, кішкене  ғана кремний кристалынан жасалған. Кремний жартылай өткізгіштік қасиетінің болуына сай микросхемаларда пайдаланылады: оның электр өткізгіштігі диэлектриктерден жоғары, бірақ металдан төмен. Кремнийден изолятор жасауға болады, ол электр зарядтарының қозғалуына кедергі жасайды, әрі одан электр зарядтары еркін өте береді. Жартылай өткізгіштің өткізгіштігін қоспалар қосу арқылы басқаруға болады.

     Микропроцессор  миллиондаған транзисторлардан тұрады, олар өзара өте жіңішке алюминий, не мыс өткізгіштермен жалғасқан. Осылай ішкі шина жасалады. Микропроцессор математикалық, логикалық көптеген әрекеттерді орындай отырып, басқа микросхемаларды және бар компьютерді басқарады. Микропроцессор жұмысының ең негізгі параметрі – кристалл жұмысының жиілігінде, ол арқылы уақыт бірлігінде қанша әрекет жасай алатынын, яғни шинаның жұмыс жиілігін, SRAM кэш жадысының ішкі көлемін анықтаймыз. Процессорды кристалдың жұмыс жиілігіне қарап белгілейді. Кристалл жұмысының жиілігі транзисторларды ашық жағдайдан, жабық жағдайға ауыстырып қосуы мөлшерімен анықталады. Транзистордың ауыстырып қосу тездігі чип жасайтын кремний пластинкасын өндіру технологиясына байланысты. Технологиялық әрекетінің көлемі транзистор өлшемі мен оның қалыңдығы, ұзындығына тәуелді. Мысалы, 90 нм техәрекет жасағанда, 2004 жылдың басында, транзистор көлемі 90 нм болды, ал кілт ұзындығы 60 нм-ге тең. Қазіргі барлық процессорлар алаңдық транзисторларды пайдаланады. Жаңа техәрекетке көшу ауыстырып қосу жиілігі жоғары транзисторларды жасауға мүмкіндік беріп, жоғалу нүктесінің азаюына, өлшемінің кіші болуына жеткізді. Өлшемдерінің кішіреюі кристалл пластинканың ауданының кішіреюіне, жылудың аз бөлінуіне, ал жұқа кілт ауыстырып қосуға төмен кернеу түсіруге ықпал етіп, энергия тұтынуды және жылу бөлуді азайтты. 

     23. Қазіргі процессорларда  конвейерді жай  ұйымдастыру. 
Біркелкі нұсқауларды мынандай кезеңдерге бөлуге болады:

     •  нұсқауды таңдау – IF (нұсқау есепшісінен адресі бойынша жадтан нұсқау алынады);

     •  нұсқауды кері кодтау, регистр – ID операндынан нұсқау/таңдау;

     •  әрекет/есептеуді орындау, тиімді ЕХ жад адресінен;

     •  МЕМ жад адресіне қарау;

     •  WB – нәтижесін сақтау.

       Бағдарламаның орындалуын конвейрлеу  үшін, біз нұсқаудың орындалуын жоғарыдағыдай кезеңдерге бөлуіміз керек. Әр кезеңді бір тактыға үйлестіру, әр тактыда жаңа бір нұсқауды орындату. Аралық нәтижені сақтау үшін әр кезеңде регистрлік станцияны пайдалану міндетті. Алайда бір нұсқауды орындаудың жалпы уақыты, мұндай конвейерде бес тактіден тұрады, әр тактіде аппаратура бірлескен тәртіппен бес әртүрлі нұсқауды орындайды.

       Конвейер жұмысын байқап көруге  уақытша диаграмма пайдаланылады,  онда көбіне орындалған нұсқау, такт нөмірі, нұсқаудың орындалу  кезеңдері көрсетіледі.

     Конвейерлеу процессордың өткізу мүмкіндігін арттырады (нұсқау саны, уақыт бірлігінде аяталған), ол бірақ жеке нұсқаудың орындалу уақытын азайтпайды. Шынында ол әрбір нұсқаудың орындалу уақытын көбейтеді, себебі регистрлік станция жұмысын есепке алуына байланысты. Бірақ өткізу қабілетінің артуы, жай конвейерлік схемаға қарағанда бағдарламаның орындалуын тездетеді.

       Мысал ретінде конвейерсіз машинаны  алсақ, ол бес кезеңде 50, 50, 60, 50 және 50 нс ұзындықта уақыт жұмсайды. Конвейерлік өңдеуді ұйымдастыруға 5нс қажет болсын, онда конвейерсіз машинада нұсқауды орындаудың орташа уақыты 260 нс болады. Конвейерлік жүйеде такт ұзындығы ең баяу өңдеу уақытына орналастыру уақытын қосқанда 65 нс болмақ. Бұл уақыт конвейерде  нұсқауды орындаудың орташа уақытына тең. Осылай конвейрлеуден алынған  жылдамдату уақыты мынаған тең:  

       Кезекті нұсқауды нұсқаулар ағынынан  алып, қажетті тактіде конвейерлік  өңдеуде кезекті нұсқауды орындауға  кедергі келтіретін жай пайда  болады. Мұндай жағдай дауласу (конфликт) деп аталады. Дауласу конвейердің шынайы өнімділігін нақты жағдайға қарағанда төмендетеді. Дауласудың үш класы бар:

       1. Құрылымды дауласулар, аппараттық  құрылғы қорының мүмкіндігінің  барлық мүмкін қиылысуларда жетіспеушілігінен  туындап, нұсқауларды бірмезетте  кіріктіре орындауда қолдай алмайды.

        2. Берілгендерге сай дауласу, бір нұсқаудың орындалуы, алдыңғы орындалған нұсқаудың нәтижесіне байланысты болып келеді.

       3. Басқаруға сай дауласу, көшу  нұсқауын конвейерлеу кезінде және басқа нұсқауларды да орындауда пайда болып, нұсқаулар есептегішінің мәнін өзгертеді.

       Конвейердегі дауласу керексіз кезде командалар орындалуын тоқтатады. Қалыпты қарапайым конвейерде, егер қандай да бір нұсқау орындалмай қалса, одан кейінгі барлық нұсқаулар да орындалмайды. Тоқтатылған алдыңғы нұсқаулар, ары қарай жұмысын жалғастыруы мүмкін, бірақ ешбір жаңа нұсқау тоқтатылып тұрған кезде таңдалып алынбайды. 

     24. Қазіргі процессорларда параллель есептеулерді ұйымдастыру. Конвейерлік өңдеу. 
Конвейерлік өңдеу – берілгендерді бір этаптан келесісіне беру бөлектеліп, беру әдісі бірнеше қадамнан жасалады. Суперскалярлы процессор деп - бірнеше конвейерден тұратын, онда нұсқауларды параллель өңдейтінін айтамыз. Pentium екі ағымды процессор, оның екі конвейері бар, ал Pentium Pro – үшағымды.

     Бұл процессордың микроархитектурасы  суперскалярлы өңдеу базасында  құрылған. Негізгі нұсқаулар екі  тәуелсіз орындаушы құрылғылармен ( U и V конвейерде) орындалады. U конвейері x86 тобының кез келген нұсқауларын, бүтін сандық және қалқымалы нүктесі барын, орындайды.

       V конвейері  жай бүтін сандық  және біршама қалқымалы нүктесі  бар нұсқауларды орындайды. Нұсқаулар  бұл құрылғылардың әрқайсысына   бір мезетте жіберілсе, құрылғыны  басқару қос нұсқау тактісінде  күрделі нұсқау  U конвейеріне  түседі, ал аздаған күрделілігі  бары V конвейеріне. 

       Мұндай қосарланған нұсқауларды  беру, тек бүтін сандық нұсқауларда  ғана мүмкін. Арифметикалық қалқымалы  нүктесі бар қос бүтін санды  нұсқауы орындалмайды. Бір мезетте  қос нұсқауды беру регистрлардың  өзара тәуелсіз байланысына тәуелді.  Бір конвейердегі нұсқауды кез келген себеппен тоқтату, екінші конвейердің де тоқтауына себеп болады.

       Процессордың қалған құрылғылары  конвейерді қажетті нұсқаулар  мен берілгендерді беруге арналады. Pentium процессорында бөлектелген  кэш-жад пен сыйымдылығы 8 КБайттық жад берілгендер айналымының тәуелсіздігін қамтамасыз етеді. Кэш-жадтың әр тактысында екі сөз оқылады. Мұнда берілгендер кэш-жады  екі еселенген бөліндіге ұшырап, бір мезетте кэш-жадтың бір жолынан екі сөз оқуға мүмкіндік жасайды. Кэш-жад нұсқауы бір тактыда екі нұсқаулық сөз алады. Олар бір жолдан, не бір-бірімен шектес жолдардан қос нұсқау беруге арналады.

       Қазіргі процессорларда параллель  есептеудің дәрежесін арттырудың  әр түрлі әдістері қолданылады.  

25.Қазіргі  процессорларда параллель  есептеулерді ұйымдастыру.

Параллель өңдеу архитектурасының төрт түрін  атауға болады:

1. Конвейерлік және  векторлық өңдеу. Есептеудің конвейерінде векторлық әрекетің кезінде жүктеудің толық идеалды болуы реттеледі. Векторлық нұсқауды орындағанда, сол әрекет сол күйінде вектордың барлық элементтеріне пайдаланылады (не тіптен, барлық сәйкес қос векторлық элементке). Конвейерге нақты әрекетті орындатуға бірнеше баптау жасағанда уақытты қою қажет болады, жадтың мүмкіндігіне сай операндтар конвейерге өте жылдам түсе бастайды. Соның есесіне жаңа нұсқауларды, шартты көшу арқылы есептеуді таңдағанда да кідірту болмайды. Векторлық машинада есептеудің негізгі принципі кейбір қарапайым әрекетті, қарапайым әрекет кешенін берілгендер тобына қайта пайдалануда жатыр. Ондай әрекеттерге орындалудағы бағдарламалардағы өте үлкен емес циклдарды жатқызуға болады.

2. SIMD машиналар түрлері.  SIMD машиналар түрі көптеген біркелкі өз жадтары бар процессорлар элементтерінен тұрады. Барлық осындай машиналардағы процессорлар бір және тек сондай бағдарламаларды орындайды. SIMD түріндегі машинасы көптеген процессорлардан құрылған, олар өте өнімді жұмысты біртектес, тек сондай есептеулерді процессорда орындағанда ғана жете алады. SIMD машинасы үшін есептеу моделі векторлық процессормен есептеу моделіне өте ұқсас, онда да бір әрекет арқылы берілгендердің үлкен тобымен жұмыс істейді. Векторлық процессордың шектелген конвейерлік жұмысынан айырмашылығы, матрицалық процессор (синонимі көпшілігі SIMD-машинасындай) көп ауқымды бола алады.

3. MIMD машиналарының түрі. «Мультипроцессор» термині түрдегі машиналардың барлығын қамтиды («матрицалық процессор» термині SIMD түріндегі машиналарға тиістілігіндей) және MIMD түріндегі машиналардың синонимі сияқты. Мультипроцессорлық жүйеде әрбір процессорлық элемент басқа процессорлық элементтерге тәуелсіз бағдарламаларын жүргізе береді. Процессорлық элементтер MIMD түріндегі машиналар  классификациясындағыдай бір-бірімен өзара байланысқа түседі. Мультипроцессордың жалпы жадында (күшті байланысқан мультипроцессорларда) барлық процессорларға қол жетімді берілгендер жады мен нұсқаулар болады.

4. Көппроцессорлы SIMD-процессоры қойылған машиналар. Қазіргі супер-ЭЕМ-ы көппроцессорлы жүйеде, олардағы процессорлар векторлық процессорлар мен SIMD түріндегі процессорлар болып келеді. Бұлар MSIMD класындағы машиналарға жатады. 

     Көппроцессорлық жүйе есептеу техникасының даму кезеңдерінде көптеген кезеңді өзгерістерге ұшырады. Тарихи бірінші өзгеріс SIMD технологиясынан басталды, бірақ қазір MIMD архитектурасына қызығушылық артуда. Бұл қызығушылық негізінен екі фактормен анықталады:

     1.  MIMD архитектурасы үлкен икемділік беріп, аппараттық құрылғы тарапынан және бағдарламаны қолдауда MIMD тарапынан бара-бар қолдау тауып, берілгендерді бір қолданбалы есептеу кезеңдерінде жоғары өнімділікпен өңдеп, көп бағдарламалы машинадай көптеген есептеулерді параллель орындап, мүмкіндігінше бір пайдаланушы жүйесі ретінде қолдаланылады.

2. MIMD архитектурасы  құны мен өнімділігі арасындағы  байланысты қатаң ескере отырып, технологияның барлық үздік мүмкіндіктерін  пайдаланады. Қазіргі көппроцессорлы  жүйелер тұрмыста дербес компьютерлер, жұмыс станцияларында, кішігірім  бір процессорлы серверлерде  пайдаланылатын микропроцессорларды  пайдалана жасалады. 
 

     SIMD (Single Instruction Multiple Data) машиналарының түрлері  – ЭЕМ-ының бір ағымды нұсқаулар, көп берілгендер ағымы түріне жатады.

     SIMD машиналар түрі көптеген біркелкі  өз жадтары бар процессорлар  элементтерінен тұрады. Барлық осындай  машиналардағы процессорлар бір  және тек сондай бағдарламаларды  орындайды. SIMD түріндегі машинасы  көптеген процессорлардан құрылған, олар өте өнімді жұмысты біртектес,  тек сондай есептеулерді процессорда  орындағанда ғана жете алады. SIMD машинасы үшін есептеу моделі  векторлық  процессормен есептеу  моделіне өте ұқсас, онда да  бір әрекет арқылы берілгендердің  үлкен тобымен жұмыс істейді.  Векторлық процессордың шектелген  конвейерлік жұмысынан айырмашылығы, матрицалық процессор (синонимі  көпшілігі SIMD-машинасындай) көп ауқымды  бола алады. Мұндай өңдеуші  процессорлардың элементтері   – бұл әмбебап бағдарламалаушы  ЭЕМ-лары. Онда шешілетін есептеулер  параллель орындалатындықтан мейлінше  күрделі, әрі тармақталатын болады. Бұл есептеу моделінің пайда  болуы, векторлық әрекет сияқты, массив элементтері циклдағыдай,  циклдың бір айналымының нәтижесі, циклдың екінші айналымына пайдаланылмайды. Векторлық және матрицалық ЭЕМ-ларында есептеу әдісі сондай ұқсас, тура эквивалентті машиналар сияқты келеді.