Большинство современных процессоров являются многоядерными, что означает, что ИС содержит два или более процессора для повышения производительности, снижения энергопотребления и более эффективной одновременной обработки нескольких задач (s ee: параллельная обработка). Многоядерные конфигурации аналогичны установке нескольких отдельных процессоров на одном компьютере, но поскольку процессоры фактически подключены к одному и тому же разъему, соединение между ними происходит быстрее.

Большинство компьютеров могут иметь от двух до четырех ядер; однако это число может увеличиться, например, до 12 ядер. Если ЦП может обрабатывать только один набор инструкций одновременно, то он считается одноядерным процессором. Если ЦП может обрабатывать два набора инструкций одновременно, он называется двухъядерным процессором; четыре набора будут считаться четырехъядерным процессором. Чем больше ядер, тем больше инструкций может обрабатывать компьютер за раз.

Некоторые процессоры используют многопоточность, в которой используются виртуализированные ядра процессора.Виртуализированные ядра процессора называются vCPU. Они не так мощны, как физические ядра, но могут использоваться для повышения производительности виртуальных машин (ВМ). Однако добавление ненужных виртуальных ЦП может снизить коэффициенты консолидации, поэтому на физическое ядро ​​должно приходиться около четырех-шести виртуальных ЦП.

Цикл выборка-выполнение — ЦП и цикл выборка-выполнение — KS3 Computer Science Revision

Основная операция компьютера называется циклом «выборка-выполнение». ЦП предназначен для понимания набора инструкций — набора инструкций.Он извлекает инструкции из основной памяти и выполняет их. Это происходит неоднократно, начиная с загрузки компьютера и заканчивая его выключением.

1. ЦП загружает инструкции по одной из основной памяти в регистры. Один регистр — это программный счетчик (ПК). ПК хранит в памяти адрес следующей инструкции, которая должна быть извлечена из основной памяти.
2. CPU декодирует инструкцию.
3. CPU выполняет инструкцию.
4. Повторяйте, пока не исчезнут инструкции.

Для одного фрагмента программного кода может потребоваться несколько инструкций. Посмотрите на этот код Python (3.x):

Во-первых, компьютеру необходимо загрузить значение переменной length в хранилище немедленного доступа (регистры). Затем необходимо загрузить значение переменной width . Затем ему нужно перемножить два числа и, наконец, сохранить результат в переменной области .

Javanotes 6.0, раздел 1.1 — Цикл выборки и выполнения: машинный язык

Раздел 1.1

Цикл выборки и выполнения: машинный язык

Компьютер — это сложная система, состоящая из множества разные компоненты. Но в сердце — или, если хотите, в мозгу — компьютер — это отдельный компонент, который выполняет фактические вычисления. Это Центральный процессор или ЦП. В современном настольного компьютера, ЦП представляет собой единую «микросхему» размером порядка одного квадратного дюйма в размер.Задача ЦП — выполнять программы.

Программа — это просто список однозначных инструкции, предназначенные для механического выполнения компьютером. Компьютер — это построен для выполнения инструкций, написанных на очень простом типе язык, называемый машинным языком. Каждый тип компьютер имеет собственный машинный язык, и компьютер может напрямую выполнять программу только если программа написана на этом языке. (Он может выполнять программы, написанные на другие языки, если они сначала переведены на машинный язык.)

Когда ЦП выполняет программу, эта программа сохраняется в компьютерной основная память (также называемая ОЗУ или произвольный доступ объем памяти). В дополнение к программе в памяти также могут храниться данные, которые используются или обрабатываются программой. Основная память состоит из последовательности локации. Эти места пронумерованы, а порядковый номер места называется его адресом. Адрес позволяет выбрать один конкретная информация из миллионов, хранящихся в памяти.Когда ЦП должен получить доступ к программной инструкции или данным в конкретном местоположение, он отправляет адрес этой информации в качестве сигнала в память; память отвечает, отправляя обратно данные, содержащиеся в указанном место нахождения. ЦП также может хранить информацию в памяти, указав информация, которая будет храниться, и адрес места, где она должна быть хранится.

На уровне машинного языка работа ЦП вполне удовлетворительна. прямолинейно (хотя в деталях очень сложно).ЦП выполняет программа, которая хранится как последовательность инструкций машинного языка в главном объем памяти. Он делает это путем многократного чтения или извлечения, инструкция по памяти с последующим выполнением, или выполнение этой инструкции. Этот процесс — выборка инструкцию, выполнить ее, получить другую инструкцию, выполнить ее и т. д. навсегда — называется циклом выборки и выполнения. За одним исключением, которое будет рассмотрено в следующем разделе, это все, что делает процессор.

Детали цикла выборки и выполнения не так уж и важны, но вам следует знать несколько основных вещей.ЦП содержит несколько внутренних регистры, которые представляют собой небольшие блоки памяти, способные с одним числом или инструкцией на машинном языке. ЦП использует один из эти регистры — счетчик программ или ПК — для отслеживать, где он находится в выполняемой программе. ПК хранит адрес следующей инструкции, которую должен выполнить ЦП. В начале каждого цикла выборки и выполнения ЦП проверяет ПК, чтобы определить, какая инструкция он должен принести. В течение цикла выборки и выполнения число в ПК обновляется, чтобы указать инструкцию, которая должна быть выполнена в следующий цикл.(Обычно, но не всегда, это просто инструкция, последовательно следует за текущей инструкцией в программе.)

Компьютер выполняет программы на машинном языке механически, то есть не понимая их и не думая о них — просто из-за способа это физически собрано вместе. Это непростая концепция. Компьютер — это машина, построенная из миллионов крошечных переключателей, называемых транзисторами, которые имеют свойство, что они могут быть подключены вместе таким образом, что выход одного переключателя может переключать другой переключатель включен или выключен.Когда компьютер вычисляет, эти переключатели включают или выключают друг друга в шаблон, определяемый как способом их соединения, так и программой что компьютер выполняет.

Команды машинного языка выражаются двоичными числами. Двоичный число состоит всего из двух возможных цифр: нуля и единицы. Итак, машина языковая инструкция — это просто последовательность нулей и единиц. Каждый конкретный последовательность кодирует некоторую конкретную инструкцию. Данные, которые компьютер Manages также кодируется как двоичные числа.Компьютер может работать напрямую с двоичными числами, потому что переключатели могут легко представлять такие числа: Поверните включите, чтобы обозначить единицу; выключите его, чтобы отобразить ноль. Машина языковые инструкции хранятся в памяти в виде шаблонов включенных или выключенный. Когда в ЦП загружается инструкция на машинном языке, все это бывает, что определенные переключатели включаются или выключаются по схеме, которая кодирует эту конкретную инструкцию. ЦП создан, чтобы реагировать на это шаблон, выполняя кодируемую им инструкцию; он делает это просто из-за как все остальные переключатели в ЦП соединены вместе.

Итак, вы должны понимать, как работают компьютеры: Основная память содержит программы и данные на машинном языке. Они закодированы как двоичные числа. ЦП извлекает инструкции машинного языка из памяти одну за другой и выполняет их. Он делает это механически, не задумываясь или понимание того, что он делает — и поэтому программа, которую он выполняет, должна быть идеальный, полный во всех деталях и недвусмысленный, потому что процессор может ничего, кроме как выполнить его точно так, как написано.Вот схематический вид этого первый этап понимания компьютера:

В центре внимания: цикл выполнения Fetch Decode

Центральный процессор (ЦП) — это мозг компьютера, потому что он принимает все решения и здесь выполняются все программы. ЦП предназначен для обработки данных. ЦП работает, следуя процессу, известному как «выборка, декодирование и выполнение». ЦП извлекает инструкцию из памяти, декодирует эту инструкцию и затем выполняет ее.ЦП выполняет этот цикл непрерывно, миллионы раз в секунду. Какое бы программное обеспечение ни использовалось на компьютерах, ЦП обрабатывает используемые данные.

Перед тем, как этот процесс может начаться, и программа, и данные загружаются операционной системой в оперативную память (RAM). Затем он загружается во временную область памяти внутри ЦП, называемую регистром адреса памяти (MAR). Теперь ЦП готов к выполнению цикла выполнения декодирования выборки.

ШАГ 1. Получите

Управляющий модуль отправляет сигнал в ОЗУ, чтобы получить программу и данные, которые затем сохраняются в одном из регистров ЦП. Для этого ЦП использует жизненно важный аппаратный путь, называемый «адресной шиной», по которому перемещаются программа и данные.

Затем блок управления увеличивает программный счетчик (ПК). ПК — важный регистр, который отслеживает порядок выполнения инструкций и показывает, какая инструкция в программе должна быть выполнена следующей.

Затем ЦП помещает адрес следующего элемента, который должен быть получен, на адресную шину. Затем данные с этого адреса перемещаются из основной памяти в ЦП по другому аппаратному пути, называемому «шиной данных».

ШАГ 2. Декодирование

«Набор команд» ЦП предназначен для понимания определенного набора команд, который служит для понимания инструкции, которую он только что получил. Этот процесс называется «декодированием».

Для одного фрагмента программного кода может потребоваться несколько инструкций.Например, посмотрите на этот код Python:

  площадь = длина * ширина  

Во-первых, компьютеру необходимо загрузить значение переменной длины в хранилище немедленного доступа (регистры). Затем необходимо загрузить значение переменной шириной .

ШАГ 3. Выполнить

Это часть цикла, когда происходит обработка данных и выполняется инструкция. В приведенном выше примере значения двух переменных, длины и ширины, будут умножены.Результат этой обработки затем сохраняется как переменная область в еще одном регистре.

По завершении этапа выполнения ЦП начинает цикл заново.

Родом из Англии, Уилл — координатор высшего начального образования, в настоящее время проживает в Бразилии. Он страстно желает максимально использовать технологии для обогащения образования студентов.

Fetch-decode-execute

Как компьютер переходит от набора сохраненных инструкций к их выполнению? В этом видео цикл Fetch-Decode-Execute объясняется Марком Скоттом.

Получить

Декодировать

Выполнить

2-й цикл

1. ПК находится по адресу 0001, так что это следующая инструкция, которую нужно выбрать.
2. Код операции и адресный операнд помещаются в IR, и ПК снова увеличивается на 1.
3. Инструкция декодируется, а адрес данных, над которыми нужно действовать, помещается в MAR. Оказывается, это инструкция ADD, которая складывает две части данных вместе.
4. Новые данные извлекаются из адреса и в конечном итоге попадают в аккумулятор вместе с результатами предыдущего цикла.
5. Чтобы завершить этот этап, два значения в аккумуляторе передаются в ALU, где их можно сложить вместе, как было указано в коде операции.
6. Затем результат возвращается в аккумулятор.

3-й цикл

1. Первая инструкция ЗАГРУЗИЛА часть данных с указанного адреса.
2. Второй Добавил это к данным, найденным по другому адресу.
3. Последняя инструкция СОХРАНИЛА результат сложения обратно по указанному адресу в памяти.

Компьютер с комплексным набором команд — обзор

В этом разделе мы рассмотрим некоторые общие концепции компьютерной архитектуры и программирования, включая некоторые различные стили компьютерной архитектуры и природу языка ассемблера.

2.2.1 Таксономия компьютерной архитектуры

Прежде чем мы углубимся в детали наборов команд микропроцессора, полезно разработать некоторые основные термины. Мы делаем это, анализируя таксономию основных способов организации компьютера.

Архитектуры фон Неймана

Блок-схема для одного типа компьютера показана на рисунке 2.1. Вычислительная система состоит из центрального процессора (ЦП) и памяти . Память хранит как данные, так и инструкции, и может быть прочитана или записана при задании адреса.Компьютер, в памяти которого хранятся как данные, так и инструкции, известен как машина von Neumann .

Рисунок 2.1. Компьютер с архитектурой фон Неймана.

ЦП имеет несколько внутренних регистров , в которых хранятся значения, используемые внутри. Одним из таких регистров является счетчик программ (ПК) , который хранит в памяти адрес инструкции. ЦП извлекает инструкцию из памяти, декодирует инструкцию и выполняет ее. Счетчик программ не определяет напрямую, что машина делает дальше, а только косвенно, указывая на инструкцию в памяти.Изменяя только инструкции, мы можем изменить то, что делает ЦП. Именно это разделение памяти команд и ЦП отличает компьютер с хранимой программой от обычного конечного автомата.

Альтернативой стилю организации компьютеров фон Неймана является архитектура Гарварда , которая почти такая же старая, как архитектура фон Неймана. Как показано на рис. 2.2, машина Гарварда имеет отдельную память для данных и программы. Счетчик программ указывает на память программ, а не на память данных.В результате сложнее писать самомодифицирующиеся программы (программы, которые записывают значения данных, а затем используют эти значения в качестве инструкций) на машинах Гарварда.

Рисунок 2.2. Архитектура Гарварда.

Гарвардские архитектуры широко используются сегодня по одной очень простой причине — разделение памяти программ и данных обеспечивает более высокую производительность при цифровой обработке сигналов. Обработка сигналов в реальном времени создает большую нагрузку на систему доступа к данным по двум причинам: во-первых, большие объемы данных проходят через центральный процессор; и, во-вторых, эти данные должны обрабатываться через определенные промежутки времени, а не только тогда, когда к ним обращается ЦП.Наборы данных, которые поступают непрерывно и периодически, называются потоковыми данными . Наличие двух запоминающих устройств с отдельными портами обеспечивает более высокую пропускную способность памяти; отсутствие конкуренции между данными и памятью за один и тот же порт также упрощает перемещение данных в нужное время. DSP составляют значительную часть всех продаваемых сегодня микропроцессоров, и большинство из них — архитектуры Гарварда. Единственный пример показывает важность DSP: большинство телефонных звонков в мире проходят как минимум через два DSP, по одному на каждом конце телефонного разговора.

Другая ось, по которой мы можем организовать компьютерную архитектуру, связана с их инструкциями и тем, как они выполняются. Многие ранние компьютерные архитектуры представляли собой то, что сегодня известно как компьютеров со сложным набором команд (CISC) . Эти машины предоставляют множество инструкций, которые могут выполнять очень сложные задачи, такие как поиск строки; они также обычно использовали ряд различных форматов инструкций разной длины. Одним из достижений в разработке высокопроизводительных микропроцессоров была концепция компьютеров с сокращенным набором команд (RISC) .Эти компьютеры, как правило, давали несколько меньшее количество простых инструкций. RISC-машины обычно используют наборы команд загрузка / сохранение — операции не могут выполняться непосредственно в ячейках памяти, только в регистрах. Инструкции также были выбраны так, чтобы их можно было эффективно выполнять в конвейерных процессорах . Ранние проекты RISC значительно превосходили проекты CISC того периода. Как оказалось, мы можем использовать методы RISC для эффективного выполнения по крайней мере общего подмножества наборов инструкций CISC, поэтому разрыв в производительности между наборами инструкций, подобных RISC и CISC, несколько сократился.

Характеристики набора команд

Помимо базовой характеристики RISC / CISC, мы можем классифицировать компьютеры по нескольким характеристикам их наборов команд. Набор команд компьютера определяет интерфейс между программными модулями и базовым оборудованием; инструкции определяют, что оборудование будет делать при определенных обстоятельствах. Инструкции могут иметь множество характеристик, в том числе:

•

фиксированной и переменной длины;

•

режимов адресации;

•

номеров операндов;

•

Поддерживается

типов операций.

Мы часто характеризуем архитектуры по их длине слова: 4-битные, 8-битные, 16-битные, 32-битные и т. Д. В некоторых случаях длина слова данных, инструкции и адреса одинакова. В частности, для компьютеров, предназначенных для работы с более короткими словами, инструкции и адреса могут быть длиннее, чем основное слово данных.

Младший порядок байтов по сравнению с прямым порядком байтов

Одна тонкая, но важная характеристика архитектур — это способ нумерации битов, байтов и слов.Коэн [Coh81] ввел термины режим с прямым порядком байтов (с младшим байтом, находящимся в младших битах слова) и режим с прямым порядком байтов (младший байт хранится в старших битах слова). слово).

Мы также можем охарактеризовать процессоры по их выполнению инструкций, что является отдельной проблемой от набора инструкций. Процессор с одним выпуском выполняет по одной инструкции за раз. Хотя у него может быть несколько инструкций на разных этапах выполнения, только одна может находиться на любом конкретном этапе выполнения.Несколько других типов процессоров позволяют выполнять команду с многократной выдачей . Суперскалярный процессор использует специализированную логику для идентификации во время выполнения инструкций, которые могут выполняться одновременно. Процессор VLIW полагается на компилятор, чтобы определить, какие комбинации инструкций могут быть законно выполнены вместе. Суперскалярные процессоры часто потребляют слишком много энергии и слишком дороги для широкого использования во встроенных системах. Процессоры VLIW часто используются во встроенных высокопроизводительных вычислениях.

Набор регистров, доступных для использования программами, называется моделью программирования , также известной как модель программатора . (ЦП имеет много других регистров, которые используются для внутренних операций и недоступны для программистов.)

Архитектуры и реализации

Может быть несколько различных реализаций архитектуры. Фактически, определение архитектуры служит для определения тех характеристик, которые должны быть верными для всех реализаций и которые могут варьироваться от реализации к реализации.Разные ЦП могут предлагать разные тактовые частоты, разные конфигурации кеша, изменения в шине или линиях прерывания, а также многие другие изменения, которые могут сделать одну модель ЦП более привлекательной для любого конкретного приложения.

ЦП — это только часть полной компьютерной системы. В дополнение к памяти нам также нужны устройства ввода-вывода для построения полезной системы. Мы можем построить компьютер из нескольких различных микросхем, но многие полезные компьютерные системы построены на одном чипе. Микроконтроллер — это одна из форм однокристального компьютера, который включает в себя процессор, память и устройства ввода-вывода.Термин микроконтроллер обычно используется для обозначения микросхемы компьютерной системы с относительно небольшим ЦП и микросхемы, которая включает некоторую постоянную память для хранения программ. Система на кристалле обычно относится к более крупному процессору, который включает в себя ОЗУ на кристалле, которое обычно дополняется памятью вне кристалла.

2.2.2 Языки ассемблера

На рис. 2.3 показан фрагмент ассемблерного кода ARM, чтобы напомнить нам об основных возможностях ассемблерных языков. Языки ассемблера обычно имеют одни и те же базовые функции:

•

одна инструкция появляется в каждой строке;

•

метки , которые дают имена ячейкам памяти, начинаются с первого столбца;

•

инструкции должны начинаться во втором столбце или после него, чтобы отличать их от меток;

•

комментария идут от некоторого обозначенного символа комментария (; в случае ARM) до конца строки.

Рисунок 2.3. Пример языка ассемблера ARM.

Язык ассемблера следует этой относительно структурированной форме, чтобы ассемблер мог легко проанализировать программу и рассмотреть большинство аспектов программы построчно. (Следует помнить, что ранние ассемблеры были написаны на языке ассемблера, чтобы уместиться в очень небольшом объеме памяти. Эти ранние ограничения по традиции перенесены в современные языки ассемблера.) На рисунке 2.4 показан формат инструкции обработки данных ARM, такой как ДОБАВИТЬ.Для инструкции

Рисунок 2.4. Формат инструкции обработки данных ARM.

ADDGT r0, r3, # 5

поле cond будет установлено в соответствии с условием GT (1100), поле кода операции будет установлено на двоичный код для инструкции ADD (0100), первый Операнд регистр Rn будет установлен на 3 для представления r3, регистр назначения Rd будет установлен на 0 для r0, а поле операнда 2 будет установлено на непосредственное значение 5.

Ассемблеры также должны предоставлять несколько псевдоопераций , чтобы помочь программистам создавать полные программы на языке ассемблера. Примером псевдооперации является тот, который позволяет загружать значения данных в ячейки памяти. Это позволяет, например, устанавливать константы в память. Пример псевдооперации выделения памяти для ARM:

BIGBLOCK% 10

Псевдооперация ARM% выделяет блок памяти размера, указанного операндом, и инициализирует эти ячейки нулями.

2.2.3 Процессоры VLIW

ЦП могут выполнять программы быстрее, если они могут выполнять более одной инструкции за раз. Если операнды одной инструкции зависят от результатов предыдущей инструкции, то ЦП не может запустить новую инструкцию до тех пор, пока предыдущая инструкция не завершится. Однако смежные инструкции могут не зависеть друг от друга напрямую. В этом случае CPU может выполнять несколько одновременно.

Было разработано несколько различных методов распараллеливания выполнения.Настольные и портативные компьютеры часто используют суперскалярное исполнение. Суперскалярный процессор сканирует программу во время выполнения, чтобы найти наборы инструкций, которые могут выполняться вместе. Системы цифровой обработки сигналов, скорее всего, будут использовать процессоры с очень длинным командным словом ( VLIW ). Эти процессоры полагаются на компилятор для определения наборов инструкций, которые могут выполняться параллельно. Суперскалярные процессоры могут найти параллелизм, которого не могут процессоры VLIW — некоторые инструкции могут быть независимыми в одних ситуациях, а в других — нет.Однако суперскалярные процессоры дороже как по стоимости, так и по энергопотреблению. Поскольку из многих приложений DSP относительно легко извлечь параллелизм, эффективность процессоров VLIW может быть легче повышена с помощью программного обеспечения для обработки цифровых сигналов.

В современной терминологии набор инструкций объединяется в пакет VLIW , который представляет собой набор инструкций, которые могут выполняться вместе. Выполнение следующего пакета не начнется, пока все инструкции в текущем пакете не закончат выполнение.Компилятор идентифицирует пакеты, анализируя программу, чтобы определить наборы инструкций, которые всегда могут выполняться вместе.

Зависимости между инструкциями

Чтобы понять параллельное выполнение, давайте сначала разберемся, что ограничивает параллельное выполнение инструкций. Зависимость данных — это взаимосвязь между данными, с которыми работают инструкции. В примере на рис. 2.5 первая инструкция записывает в r0, а вторая — читает из него.В результате первая инструкция должна завершиться до того, как вторая команда сможет выполнить свое сложение. График зависимости данных показывает порядок, в котором эти операции должны выполняться.

Рисунок 2.5. Зависимости данных и порядок выполнения инструкций.

Филиалы также могут вводить управляющих зависимостей . Рассмотрим эту простую ветвь

bnz r3, foo

add r0, r1, r2

foo:…

Инструкция добавления выполняется только в том случае, если предшествующая ей инструкция ветвления не берет свое ответвление.

Возможности для параллелизма возникают из-за того, что многие комбинации инструкций не вводят зависимости данных или управления. Естественная группировка назначений в исходном коде предлагает некоторые возможности для параллелизма, на которые также может повлиять то, как объектный код использует регистры. Рассмотрим пример на рисунке 2.6. Хотя в этих инструкциях используются общие регистры ввода, результат одной инструкции не влияет на результат другой инструкции.

Рисунок 2.6. Инструкции без зависимостей данных.

Процессоры VLIW проверяют зависимости между инструкциями только внутри пакета инструкций. Они полагаются на компилятор для определения необходимых зависимостей и группировки инструкций в пакет, чтобы избежать комбинаций инструкций, которые не могут быть должным образом выполнены в пакете. Суперскалярные процессоры, напротив, используют оборудование для анализа потока инструкций и определения зависимостей, которые необходимо соблюдать.

VLIW и встроенные вычисления

Ряд различных процессоров реализовали режимы выполнения VLIW, и эти процессоры использовались во многих встроенных вычислительных системах.Поскольку процессору не нужно анализировать зависимости данных во время выполнения, процессоры VLIW меньше и потребляют меньше энергии, чем суперскалярные процессоры. VLIW очень хорошо подходит для многих приложений обработки сигналов и мультимедиа. Например, базовые станции сотовых телефонов должны выполнять одинаковую обработку множества параллельных потоков данных. Обработка каналов легко отображается на процессоры VLIW, потому что нет зависимостей данных между различными сигнальными каналами.

RISC vs.CISC