Procesor (CPU – Central Processing Unit)fluid.itcmp.pwr.wroc.pl › ~lewkow › Procesor.pdf · 2015-01-20 · Różne parametry procesora 1) rozmiar elementów, budujących jego

Procesor (CPU – Central

Processing Unit)

informacje dodatkowe

Procesor

Procesor - przetwarzanie.

Urządzenie cyfrowe sekwencyjne:

pobiera dane z pamięci

interpretuje je

wykonuje jako rozkazy, zgodnie z tzw.

listą rozkazów procesora (wbudowaną

przez producenta)

Wykonane jako układy scalone,

zamknięte w hermetycznej obudowie.

Główny element – monokryształ krzemu,

na który naniesiono techniką fotolitografii

szereg warstw półprzewodnikowych

(sieć milionów tranzystorów)

Różne parametry procesora

1) rozmiar elementów, budujących jego

strukturę

(w latach 90-tych 500 nm, potem 130 nm,

90nm, 65nm, pod koniec 2007 - 45 nm, w

2010 - 32 nm,

obecnie 22 nm,

Global Foundries zapowiada

w 2014 -14 nm,

Intel twierdzi, że w ciągu dekady

zejdziemy do 10 nm).

Im elementy są mniejsze, tym

• niższe zużycie energii

• mniejsze napięcie pracy

• wyższa częstotliwość.

Wymiar określający skalę miniaturyzacji

technologicznej układu procesora – proces

technologiczny.

Prawo Moore’a

Od 1965 roku.

Oryginalnie:

prawo empiryczne, wynikające z obserwacji,

że ekonomicznie optymalna liczba

tranzystorów w układzie scalonym

zwiększa się w kolejnych latach zgodnie z

trendem wykładniczym (podwaja się w

niemal równych odcinkach czasu).

Ogólne:

Moc obliczeniowa komputerów podwaja

się co 24 miesiące.

Na zasadzie analogii, prawo Moore'a stosuje

się też do wielu innych parametrów sprzętu

komputerowego (z innym okresem), jak np.

do:

• pojemności dysków twardych

• rozmiarów RAM

• ilości tranzystorów w stosunku do

powierzchni układu

• stosunku mocy obliczeniowej do kosztu

• przepustowości sieci

Pytanie:

Czy prawo Moore’a wygasa?

Grafen

W 2001 holenderscy uczeni zbudowali

tranzystor składający się z jednej nanorurki

węglowej:

- rozmiar jeden nanometr

- zmiana stanu (włączony/wyłączony)

wymaga tylko jednego elektronu

Czyli:

- dalsza miniaturyzacja

- układy miliony razy szybsze

Grafen - substancja z węgla o grubości

jednego atomu - najcieńszy materiał, jaki

tylko można sobie wyobrazić.

• lepiej niż miedź przewodzi ciepło i

elektryczność

• jest sto razy mocniejszy niż stal

• jako półprzewodnik w wielu zadaniach

spisuje się lepiej niż krzem

Koncern IBM - nowa generacja procesorów,

węglowe nanorurki (CNT - carbon

nanotubes).

Naukowcy IBM opracowali nową metodę

"hurtowego" osadzania węglowych nanorurek

na podstawie procesora. Dzięki niej możliwe

jest jednorazowe, precyzyjne osadzenie

ponad 10 tys. tranzystorów wykonanych z

CNT.

Różne parametry procesora –c.d.

2) częstotliwość taktowania (od 5 MHz w

1980 do ok. 3 GHz)

Zegar systemowy:

- dostarczanie aktualnego czasu i daty do

komputera

- dostarczanie sygnałów

synchronizujących działanie podzespołów

komputera (z dokładnością do tysięcznych

części sekundy)

Różne parametry procesora –c.d.

3) liczba rdzeni:

- procesory dwurdzeniowe (Dual-Core)

- procesory czterordzeniowe (Quad-Core)

- procesory sześciordzeniowe (Six-Core)

- procesory ośmiordzeniowe

Ilość rdzeni wpływa znacząco na

wydajność, ale:

nie automatycznie!

Różne parametry procesora –c.d.

4) Ilość pamięci cache. Mechanizm, w którym ostatnio pobierane dane,

dostępne ze źródła o wysokiej latencji i niższej

przepustowości, są przechowywane w pamięci o

znacząco lepszych parametrach. Overwriting.

Dwa lub trzy poziomy pamięci cache:

• L1 (Level 1 – w kB lub MB), najmniejsza,

najszybsza

• L2 (kB lub MB)

• L3 (MB)

Różne parametry procesora –c.d.

5) Rozmiar (długość) słowa maszynowego. Słowo maszynowe to ilość danych (w bitach lub

bajtach), którą procesor może przetwarzać

jednorazowo (inaczej: długość słowa, na

którym wykonywane są podstawowe operacje

obliczeniowe).

Większość procesorów w PC jest

przeznaczonych dla 64 bitowych słów, tzn.

dane wędrują w procesorze i między

procesorem a pamięcią w 8 bajtowych

kawałkach. Możliwości adresowania,

Różne parametry procesora –c.d.

6) TDP (Thermal Design Power)

Współczynnik do szacowania wydajności

termicznej chłodzenia.

Również: jako wskaźnik mocy pobieranej

przez procesor.

Inne pojęcia związane z procesorami

• Cool’n’Quiet - technologia mająca w

założeniu ograniczenie ilości energii

pobieranej przez procesor. Działa na

zasadzie dynamicznej zmiany

częstotliwości taktowania procesora oraz

jego napięcia zasilania w zależności od

zapotrzebowania na moc obliczeniową.

We wszystkich procesorach AMD

Inne pojęcia związane z procesorami –

c.d.

• SpeedStep, Enchanced Intel SpeedStep

Technology - Technologia mająca za

zadanie ograniczyć moc pobieraną przez

procesory firmy Intel, gdy te nie są w pełni

obciążone. SpeedStep działa analogicznie

do Cool’n’Quiet firmy AMD

Inne pojęcia związane z procesorami –

c.d.

• Turbo-Boost - ma za zadanie podnieść

częstotliwość taktowania procesora

ponad jego domyślny maksymalny zegar w

momencie, gdy niektóre z elementów CPU

nie są wykorzystane.

Cecha procesorów firmy Intel z rodzin

Core (i3/i5/i7)

Potrafi się przyczynić do istotnego wzrostu

wydajności, zatem jest cechą znaczącą.

Inne pojęcia związane z procesorami –

c.d.

• Hyper-Threading - symultaniczna

wielowątkowość; kolejne unikatowe

rozwiązanie w procesorach firmy Intel.

HT umożliwia uruchomienie na

pojedynczej jednostce wykonawczej

procesora - jednym rdzeniu - dwóch zadań

jednocześnie.

Producenci układów scalonych

Intel – twórca m.in. mikroprocesorów z

rodziny x86. Niektóre produkty:

Pentium wersje podstawowe 2, 3, 4

Pentium – wersje M (do laptopów)

Pentium – wersja D (dwurdzeniowa)

Celeron – wersje M (do laptopów) i D

Itanium

Core, Core 2 (procesor dwu i czterordzeniowy)

Intel Core i3, i5, i7

Producenci układów scalonych – c. d.

AMD (Advanced Micro Devices) :

seria K6, K6-2, K6-III

Duron

Athlon XP

Athlon 64, Athlon 64 X2

Phenom

Turion 64

Opteron

Sempron

Pamięć (Memory)

Rodzaje pamięci:

RAM

pamięć typu cache

rejestry

ROM

pamięć typu Flash

RAM (Random Access Memory)

RAM – w niej przechowywane są aktualnie

wykonywane programy i dane do tych programów

oraz wyniki ich pracy.

Główne cechy pamięci RAM:

ulotna – zawartość jej jest tracona kilka sekund

po zaniku zasilania

stosowana głównie jako pamięć operacyjna

komputera, ale też jako pamięć różnych jego

komponentów (procesorów specjalizowanych,

kart graficznych, dźwiękowych, danych

sterowników mikroprocesorowych, itp.)

RAM (Random Access Memory)

• pamięć półprzewodnikowa. Składa się z

obwodów wtopionych w chipy.

Rodzaje RAMu ze względu na sposób

umieszczania obwodów:

- SIMMs (Single In-line Memory Modules)

- DIMMs (Dual In-line Memory Modules)

- RIMMs (Rambus In-line Memory Modules)

Rodzaje RAM, ze względu na sposób

doładowywania

• Zwykła DRAM (Dynamiczna – Dynamic RAM)

regularne doładowywanie, w trakcie

którego niedostępna dla procesora

• Szybsza SRAM (Statyczna – Static RAM)

nie wymaga doładowania, droższe chipy

• SDRAM (Synchroniczna –Synchronous

DRAM)

zegar systemowy synchronizuje

odpowiednio doładowania

Rozwój modułów pamięci używanych

w komputerach PC Wygląd

wielkość naturalna na monitorze 17"

(1024x768)

Obudowa

Pamięć Użycie Rok

DIP

PC, XT, AT 1981

SIPP 286, AT, 386 1983

SIMM (30-

pinowe)

Niektóre 286,

386, 486

1994

SIMM (72-

pinowe)

PS/2, 486,

Pentium,

AMD K6, AMD

K5

1996

DIMM

SDR SDRAM

Pentium II,

Pentium III,

Pentium IV i

Celeron, a

także AMD K6

1997

Rozwój modułów pamięci używanych

w komputerach PC

Wygląd

wielkość naturalna na monitorze 17"

(1024x768)

Obudowa

Pamięć Użycie Rok

RIMM

Rambus

Pentium IV – po

niecałym roku

produkcji

wycofane z

powodu opłat

licencyjnych

oraz mniejszej

niż zamierzano

wydajności

1999

Rozwój modułów pamięci używanych

w komputerach PC Wygląd

wielkość naturalna na monitorze 17"

(1024x768)

Obudowa

Pamięć

Użycie

Rok

DIMM

DDR

Pentium IV,

Athlon, Duron,

Sempron

1999

DIMM

DDR2

Pentium IV,

Pentium D, Intel

Core 2, Athlon 64

AM2, Sempron

AM2, Intel Atom

2003

Rozwój modułów pamięci używanych

w komputerach PC

Wygląd

wielkość naturalna na monitorze 17"

(1024x768)

Obudowa

Pamięć

Użycie Rok

DIMM

DDR3

Intel Core i7,

Intel Core i5

Intel Core i3

Intel Core 2

Quad Intel Core

2 Duo AMD

Phenom II, AMD

Athlon II

2007

DIMM

DDR4

Intel, AMD

2014

Różne współczesne skróty –

co znaczą?

DDR SDRAM – Double Data Rate SDRAM

Zwykle spotyka się:

DDR2 (napięcie zasilania 1,8 V,

240 wyprowadzeń)

DDR3 (produkowane w procesie

technologicznym 90 nanometrów,

standardowe napięcie zasilania 1,5 V)

DDR4 (technologia 20 nanometrów,

napięcie 1,2 V)

Zależność od płyty głównej.

Ważne parametry RAM

• Wielkość (obecnie w GB)

• Prędkość (mierzona w MHz lub

nanosekundach)

Adresowanie pamięci

Adres pamięci

Adres pamięci - unikatowy identyfikator dla

części jednostkowej pamięci komputera, w

której procesor może zachować pewną ilość

danych do późniejszego wykorzystania.

- Pamięć fizyczna odnosi się do sprzętu.

- Pamięć logiczna i wirtualna,

reprezentująca koncepty oprogramowania.

Np. pamięć wirtualna na procesorach 32-

bitowych może mieć nawet 4 GB.

Adresowanie pamięci

Słowo maszynowe a wirtualne adresy

pamięci.

• np. komputer 32 – bitowy

może mieć przestrzeń adresową

wielkości 232=4294967296 bajtów,

tj. ok. 4 gigabajtów.

• komputer o architekturze 64 bitowej może

zaadresować 264 bajtów (16 eksabajtów),

ilość pamięci uważaną za praktycznie

nieskończoną

Adresowanie pamięci

Każde miejsce w pamięci ma adres! Np.

blok danych

instrukcja

program

wyniki obliczeń

System (jaki???) automatycznie tworzy i utrzymuje

tabele katalogów, które dostarczają adresy

pierwszych znaków wszystkich danych.

Po skończeniu przetwarzania – zwalnia pamięć dla

następnych.

Rejestry

Rejestry procesora – komórki pamięci

o niewielkich rozmiarach (bity),

umieszczone wewnątrz procesora,

do przechowywania:

- tymczasowych wyników obliczeń

- adresów alokacji w pamięci operacyjnej i innych

Rejestry - najwyższy szczebel w hierarchii pamięci,

najszybszy z rodzajów pamięci komputera,

najdroższy, realizowany zazwyczaj jako

tablica rejestrów (ang. register file)

Rejestry

Liczba rejestrów zależy od zastosowania

procesora (jedno z kryteriów podziału

procesorów na klasy CISC i RISC), np.:

- prosty mikroprocesor – jeden rejestr

danych (tzw. akumulator)

- procesory w PC – kilkanaście

- procesory w serwerach – kilkaset (np.

Itanium – 256 rejestrów)

Podział rejestrów ze względu na

zastosowanie

• rejestry danych – do przechowywania danych

całkowitoliczbowych

• rejestry adresowe – do przechowywania adresów

i uzyskiwania dostępu do pamięci

• rejestry zmiennoprzecinkowe – do wykonywania

obliczeń na liczbach zmiennoprzecinkowych

(często w FPU)

• rejestry instrukcji – do przechowywania obecnie

przetwarzanej instrukcji

• inne (specjalne, stałych, wektorowe itd.)

Pamięć ROM

ROM (Read Only Memory – tylko do odczytu)

– pamięć stała komputera, w której są

przechowywane pewne dane i programy,

np. ważne fragmenty oprogramowania

systemowego, jak

- procedury BIOSu (Basic Input Output

System

- POST (Perform a Power-On Self Test)

Rodzaje pamięci ROM

Ze względu na metodę zapisu najpopularniejsze

rodzaje pamięci ROM to:

• ROM (MROM) - pamięci tylko do odczytu. Ten typ

pamięci programowany jest w trakcie procesu

produkcyjnego

• PROM (ang. Programmable ROM) -

programowalna pamięć tylko do odczytu. Jest to

pamięć jednokrotnego zapisu.

• EPROM(ang. Erasable Programmable ROM) -

kasowalna pamięć tylko do odczytu.

Rodzaje pamięci ROM

• EEPROM (ang. Electrically Erasable

Programmable ROM) - pamięć kasowalna

elektrycznie. Wykonywana w różnych postaciach,

różniących się sposobem organizacji kasowania i

zapisu.

• Flash EEPROM - rodzaj pamięci EEPROM, w

których kasowanie odbywa się jednocześnie dla

określonej w danym modelu części pamięci.

Obecnie większość BIOS-ów zapisywana jest w

pamięciach typu EEPROM, co umożliwia ich

późniejszą aktualizację.

Magistrale (szyny, ang. Buses)

Magistrala – zespół ścieżek elektronicznych w

komputerze, wiążący różne komponenty

komputera (CPU, pamięć, urządzenia WE-WY, itp)

Złożony z trzech współdziałających szyn:

• sterująca (kontrolna) – określa czy sygnał ma

zostać zapisany, czy odczytany;

• adresowa (rdzeniowa) – określa z jakiej komórki

pamięci sygnał ma zostać odczytany lub do jakiej

komórki pamięci sygnał ma zostać zapisany;

• danych – tą szyną przepływają dane.

magistrala wewnętrzna – przesyła dane

wewnątrz CPU

magistrala systemowa – przesyła dane

między CPU a pamięcią

jeden z najważniejszych elementów systemu

komputerowego.

Łączy ona w bezpośredni sposób

najistotniejsze podzespoły naszego

komputera, takie jak: procesor, płyta

główna, pamięć RAM oraz różne dodatkowe

karty rozszerzeń.

Magistrale (szyny, ang. Buses)

• FSB (Front Sid Bus) - magistrala łącząca procesor

z kontrolerem pamięci

• BSB (Back Side Bus) – przesyłachea dane między

CPU i zewnętrzną cache

Jak pracuje CPU?

Typowe składniki CPU:

Arytmometr (ALU – Arithmetic Logic Unit) wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne na

danych.

Występuje we wszystkich mikroprocesorach i

układach CPU

(np. w GPU – jednostce przetwarzania graficznego,

w kartach graficznych nVidia, ATI, w FPU –

jednostce obliczeń zmiennopozycyjnych, w karcie

dźwiękowej Sound Blaster, itd.)

Typowe składniki CPU:

• Układ kontrolny (Control Unit)

Część CPU, która koordynuje jego operacje

(kieruje ruchem elektronów w CPU).

Otrzymuje instrukcje z modułu

dekodującego i w oparciu o nie, poleca ALU,

co i w jakiej kolejności wykonać

Typowe składniki CPU:

• Rejestry – tymczasowe miejsce w CPU,

gdzie tuż przed przetworzeniem znajduje

się każdy fragment danych, kazda

instrukcja programu itp.

ALU używa rejestrów do magazynowania

danych, przechowywania wyników

pośrednich i końcowych wyników

przetwarzania.

Typowe składniki CPU:

• Układ dekodujący (Decode Unit)

Tłumaczy instrukcje na formę, która może

być przetwarzana przez arytmometr i

magazynowana w rejestrach.

Pobiera instrukcje z układu

sprowadzającego z wyprzedzeniem i

tłumaczy tak, żeby układ kontrolny

„zrozumiał”

Typowe składniki CPU:

• Układ sprowadzający z wyprzedzeniem

(Prefetch Unit).

„Zamawia” dane z RAMu i pamięci Cache z

wyprzedzeniem, opierając się na zadaniach,

które są aktualnie wykonywane.

Po pierwsze: ustawia zadania w odpowiedniej

kolejności.

Po drugie: pozwala unikać opóźnień,

spowodowanych zwykle czekaniem na niektóre

urządzenia.

Typowe składniki CPU:

• Wewnętrzna cache – do przechowywania

najczęstszych danych i instrukcji

• Układ interfejsowy (Bus Interface Unit)

miejsce, gdzie dane i instrukcje wchodzą i

wychodzą do CPU, po drodze z lub do RAM

• FPU (Floating Point Unit) - koprocesor,

jednostka zmiennoprzecinkowa.

Układ scalony, wspomagający procesor w

obliczeniach zmiennoprzecinkowych.

Wydajność komputerów

FLOPS (ang. Floating point Operations Per

Second)

– liczba operacji zmiennoprzecinkowych na

sekundę,

- jednostka wydajności komputera

- dokładniej: wydajności układów

realizujących obliczenia

zmiennoprzecinkowe (FPU)

Wydajność komputerów

Stosuje się odpowiednie przedrostki układu

SI, np.:

1 MFLOPS=1 milion FLOPS-ów

1 GFLOPS=1 miliard FLOPS-ów

1 TFLOPS=1 bilion FLOPSów

1 PFLOPS=1 biliard FLOPS-ów

Superkomputery

• TOP500 – strona internetowa, przedstawiająca

listę 500 superkomputerów uzyskujących

najlepsze wyniki w teście LINPACK.

• Lista jest aktualizowana dwa razy w ciągu roku i

prezentowana na dwóch konferencjach

naukowych.

Pokazany jest też ogólny trend, pokazujący podwajanie się

wyników superkomputerów średnio co 14 miesięcy,

zgodnie z prawem Moore’a.

Aktualny rekordzista, Thianhe-2, uzyskał wynik ponad

560 tysięcy razy większy niż rekordzista z 1993 roku, CM-5.

Superkomputery

Pierwsza czwórka z 43. rankingu 06/2014

• Tianhe-2 (Droga Mleczna-2) - 33,86 PFLOPS

Chińska Republika Ludowa

• Titan, USA - 17,59 PFLOPS

• Sequoia- 17,17 PFLOPS, wyprodukowany

przez IBM. Posiada 1,6 petabajta pamięci

operacyjnej i zużywa 7,89 MW mocy

• K computer, Japonia - 10,51 PFLOPS

• Mira, USA

Nasz mały sukces

1. Klaster SuperNova,

Wrocławskie Centrum Sieciowo-

Superkomputerowe

miejsce 360 na liście Top500

w listopadzie 2011r (67,54 TFLOPS)

2. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych w

Świerku pod Warszawą powstaje największy

superkomputer w Polsce.

W połowie 2015 roku maszyna osiągnie wydajność

500 Tflopsów.

Ciekawostka najnowsza

• Met Office, czyli narodowy serwis meteorologiczny

Wielkiej Brytanii, potwierdził informacje o budowie

superkomputera tak dokładnego, że będzie w stanie

podawać informacje o pogodzie na konkretnej ulicy.

• Superkomputer o nazwie Cray XC40 ma powstać w Exeter

w południowej Anglii w przyszłym roku, a na pełnych

obrotach zacznie działać w okolicach 2017 r. Pracuje 13

razy szybciej i będzie w stanie produkować modele

meteorologiczne z dokładnością do 300 m co godzinę, a

nie, jak do tej pory, co trzy. Poza tym nowy komputer

to kawał sprzętu - 480 tys. procesorów będzie mielić

dane z prędkością 16 000 trylionów operacji na sekundę i

ma ważyć 154 tony. Brytyjczycy zapłacą za jego budowę

97 mln funtów (ok. 500 mln zł).

Tianhe-2

Nova i Supernova - WCSS

Wydajność komputerów

Inne parametry (przykładowe),

opisujące wydajność:

MIPS (miliony operacji całkowitych na

sekundę)

Szybkość współpracy z pamięcią

Spójność pamięci cache

Cykl maszynowy

Cykl, podczas którego następuje wymiana

danych między procesorem a pamięcią lub

układem wejścia-wyjścia (odczyt albo zapis)

W każdym cyklu maszynowym następuje

wysłanie:

• adresu na magistralę adresową

• danych na magistralę danych

• sygnałów sterujących, informujących o

rodzaju cyklu, na magistralę sterującą

Cykl maszynowy

W zależności od rodzaju przesłania rozróżnia

się cykl maszynowy:

• pobrania kodu operacji

• odczytu i zapisu pamięci

• odczytu i zapisu wejścia-wyjścia

• przyjęcia, przerwania itd.

Jeden cykl maszynowy wykonywany jest w

czasie jednego (lub kilku) taktów zegara.

Cykl maszynowy

Kiedy CPU przetwarza pojedynczy fragment

mikrokodu – cykl maszynowy.

Składa się z 4 operacji, w dwóch częściach:

- faza instrukcji

1) Instrukcja programu albo danych jest

pobierana z RAMu lub Cache

2) Instrukcja jest dekodowana tak, aby była

zrozumiana przez ALU

Cykl maszynowy

- faza wykonania

1) ALU wykonuje odpowiednią instrukcję

2) wynik jest przechowywany w rejestrach

bądź w pamięci

Faza

wykonania Faza

instrukcji

1)

2) 1)