Мікропроцесорні системи

Полтавський Військовий Інститут Зв’язку

Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем

ЗАТВЕРДЖУЮ

Начальник кафедри № 3

полковник ____________О.І. Тиртишніков

“___” _______________2006 р.

ЛЕКЦІЯ

з навчальної дисципліни

 

ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ

напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»

 

Розділ № 2. Мікропроцесорні системи.

Змістовий модуль № 7 Підвищення продуктивності

мікропроцесорних систем.

Тема № 10. Підвищення продуктивності мікропроцесорних систем.

Заняття: № 1. Багатоядерні МП та багатопроцесорні МПС.

 

Лекція обговорена і схвалена на засіданні

предметно-методичної комісії

Протокол № ____ від ________

Полтава – 2006

Навчальна література.

 

1.         Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 235-240.

2.         Кравчук С.О., Шохін В.О. Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. Посіб. – К.: ІВЦ Політехніка; Каравела, 2005. с. 85-86, 287-290.

ВСТУП

 

Цілком зрозуміло, що постійне розширення та ускладнення кола задач, що вирішуються за допомогою засобів обчислювальної техніки – як універсальних, так і спеціалізованих – потребує постійного підвищення продуктивності (швидкодії) МП і МПС різноманітного призначення. До основних напрямків підвищення продуктивності МП та МПС можна віднести наступне:

1. Вдосконалення існуючих архітектур МП та МПС, сучасної елементної бази обчислювальної техніки.

2. Розробка принципово нових архітектур МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методах організації обчислень та використанні нової елементної бази.

В даної лекції розглядаються методи та способи підвищення продуктивності МП та МПС, що можуть бути віднесені до першого напрямку. Загальні відомості про принципово нові архітектури МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методах організації обчислень та використанні нової елементної бази, будуть розглянути на наступної лекції.

Вдосконалення сучасної кремній-напівпровідникової елементної бази обчислювальної техніки відбувається, головним чином, у напрямку зменшення розмірів базових транзисторних ключів, що надає можливість підвищення ступеню інтеграції мікросхем та підвищення тактової частоти вузлів МП та МПС.

1.         Основні напрями вдосконалення архітектури сучасних

обчислювальних систем

Для виділення напрямків розвитку існуючих архітектур МП та МПС, нагадаємо їх узагальнену класифікацію.

Узагальнена класифікація обчислювальних систем за архітектурними ознаками. базується на поняттях потоку команд – I та потоку даних – D в обчислювальній структурі. При цьому розрізняють: одинарний потік – S; множинний потік - M.

SISD -- одинарний потік команд і одинарний потік даних. Управління здійснює одинарна послідовність команд, кожна з яких забезпечує виконання однієї операції і далі передає управління наступній команді.

MISD -- множинний потік команд і одинарний потік даних. Має також назву конвеєра обробки даних. Вона становить ланцюжок послідовно сполучених процесорів (мікропроцесорів), що управляються паралельним потоком команд. На вхід конвеєра з пам’яті подається одинарний потік даних.

SIMD -- одинарний потік команд і множинний потік даних. Процесор таких машин має матричну структуру, в вузлах якої включена велика кількість порівняно простих швидкодіючих процесорних елементів. Одинарний потік команд виробляє один загальний пристрій управління. При цьому всі процесорні елементи виконують одночасно одну і ту ж команду, але над різними операндами, які доставляються з пам’яті множинним потоком.

МIMD -- множинні потоки команд і даних. До таких структур відносяться багатопроцесорні і багатомашинні обчислювальні системи. Гнучкість MIMD структур дозволяє організувати сумісну роботу ЕОМ або процесорів за розпаралеленою програмою при рішенні одного складного завдання або роздільну роботу всіх ЕОМ при одночасному рішенні безлічі завдань поза незалежним програмам.

Як розглядалося раніше, гарвардська архітектура, порівняно з нейманівською, має більші потенціальні можливості з точки зору підвищення продуктивності, тому і стала базовою для побудови МП і МПС, що працюють у реальному масштабі часу – мікроконтролерів та процесорів цифрових сигналів. Але нейманівська, або класична, архітектура є більш гнучкою, тому універсальні МП та ПЕОМ будуються переважно на її основі.

Очевидно, що з точки зору узагальненої класифікації, і нейманівська, і гарвардська архітектури, що розглядалися у попередніх темах – це різновиди найпростішої SISD- архітектури.

Неважко помітити, що всі інші, більш складні архітектури, так чи інакше, базуються на конвеєризації та розпаралелюванні обчислень – як на рівні МП, та к і на рівні МПС. Це – основні напрями підвищення продуктивності всіх сучасних обчислювальних систем.

Крім конвеєризації та розпаралелювання обчислень, у сучасних МП та МПС застосовується ще велика кількість архітектурних (та технологічних) рішень, що сприяють підвищенню їх швидкодії:

1. Поступовий перехід від паралельних системних та зовнішніх інтерфейсів до послідовних (наприклад, шини PCI Express та USB у ПК). Як вже розглядалося раніше, це пов’язано с тим, що зі збільшенням тактової частоти порушується синхронізація сигналів, що передаються по окремим лініям паралельної шини.