Классификация процессоров

Разбиение современных процессоров по классам сложно и весьма условно, поскольку все удачные решения часто мигрируют из процессоров одного класса в другой, придавая им новые свойства и превращая их в универсальные. Тем не менее, мы сделаем это что бы показать принципы и способы построения современных процессоров.

По числу потоков команд и потоков данных:

- скалярные;

- векторные.

Скалярный процессор — это простейший класс микропроцессоров. Скалярный процессор обрабатывает один элемент данных за одну инструкцию (SISD, Single Instruction Single Data). Типичными элементами данных могут быть целые или числа с плавающей запятой. Абсолютное большинство процессоров являются скалярными или близкими к ним.

Совершенствование скалярных процессоров привело к созданию суперскалярной архитектуры, которая характеризуется наличием вычислительного ядра, использующего несколько декодеров команд, которые могут нагружать работой множество исполнительных блоков, и позволяет выполнять несколько команд за один такт процессора.

Современные суперскалярные микропроцессоры имеют одну из трех типов архитектур:

- CISC ( Complex Instruction Set Computing) — вычисления со сложным набором команд.

- RISC (Reduced instruction set Computing) — вычисления с упращенным набором команд;

- MISC (Minimal instruction set Computing) — вычисления с минимальным количеством длинных команд.

Архитектура CISC отличается повышенной гибкостью и расширенными возможностями РС, выполненного на микропроцессоре, и характеризуется:

1) большим числом различных по длине и формату команд;

2) использованием различных систем адресации;

3) сложной кодировкой команд.

Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП'ы), исполняемые RISC-ядром).

Архитектура RISC Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.
Самая распространённая реализация этой архитектуры представлена процессорами серии PowerPC, MIPS, Alpha и ARM.

Архитектура MISC - многоцелевая командная система управления компьютером, сочетает в себе преимущества CISC и RISC. Элементная база состоит из отдельных частей (могут быть объединены в одном корпусе): основная часть (HOST – ведущая), архитектуры RISC CPU, а расширяемая часть – с подключением ПЗУ (ROM) микропрограммного управления. При этом вычислительная система приобретает свойства CISC: – основные команды работают на HOST, а команды расширения образуют адрес микропрограммы для своего выполнения. HOST выполняет команды за один такт, а расширение эквивалентно CPU со сложным набором команд (CISC). Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, связанный с тем, что при компиляции с языка высокого уровня код операции (микропрограмма) уже дешифрирована и открыта для программиста.

Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20–30 команд).

Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. В векторных процессорах (SIMD, Single Instruction Multiple Data), в отличие от скалярных, одна инструкция работает с несколькими элементами данных. Векторные процессоры были распространены в сфере научных вычислений, где они являлись основой большинства суперкомпьютеров, начиная с 1980-х до 1990-х. Но резкое увеличение производительности и активная разработка новых процессоров привели к вытеснению их со сферы повседневных процессоров.

В большинстве современных микропроцессоров имеются векторные расширения (например SSE, MMX для обработки мультимедийных данных, и т.д.), кроме того современные видеокарты и физические ускорители можно рассматривать как векторные сопроцессоры.

По конструктивной реализации:

- однокристальные микропроцессоры,

- однокристальные микро-ЭВМ (All-In-Once – все в одном),

- секционные микропроцессоры (bit-slise - частичное расслоение).

Однокристальные микропроцессоры характерны тем, что:

- система команд фиксирована;

- содержат основные элементы кристалла: АЛУ, дешифратор команд, узел микропрограммного управления, узел управления обменом;

- не позволяют наращивать разрядность обрабатываемых слов каскадированием;

- шины данных, адреса, управления – мультиплексируемы.

Однокристальные микро-ЭВМ (ОМЭВМ) отличаются тем, что:

- кроме микропроцессора, кристалл включает в себя обрамление: ГТИ, контроллер прерываний, порты, таймер, ОЗУ, буфер команд;

- их применение очень просто (например, контроллер KBD в РС):

- вследствие низкой тактовой частоты, производительность ОМЭВМ невелика, но они и не предназначаются для высокоскоростных операций.

Секционные микропроцессоры характерны тем, что:

- допускают наращивание разрядности объединением одноименных линий нескольких чипов одинакового назначения;

- дезинтегрированы на отдельные компоненты АЛУ и ИМС обрамления;

- позволяют наращивать разрядность шин данных, адреса, АЛУ и объем подключаемой оперативной памяти:

- могут работать в разных системах команд, в соответствии с прошивкой микропрограмм.

По количеству ядер:

- одноядерные;

- многоядерные.

Основными чертами классической структуры одноядерного процессора является наличие исполнительного ядра, кэш-памяти первого уровня L1 и кэша L2.

Соединив N таких блоков в одно целое и дополнив их другими, мы уже получим готовый N-ядерный процессор.