Subsistemul procesorului

Microprocesorul reprezinta unitatea centrala de procesare (CPU - Central Processing Unit) a computer-ului. Reprezinta locul unde cele mai multe din operatiile de control si calcul au loc. Toate instructiunile OS si ale aplicatiilor program se executa aici. Cea mai mare parte a informatiei trece pe aici, fie ca e o tasta apasata, date de pe disk sau informatie de pe retea. Procesorul are nevoie de date si instructiuni pentru fiecare operatie de procesare pe care o efectueaza. Datele si instructiunile sunt încarcate din memorie în locatii de st 626h74g ocare de date numite registri. Acestia sunt folositi, de asemenea, pentru a memora rezultatele operatiei de procesare pâna când datele sunt transferate în memorie.

Microprocesorul reprezinta un circuit integrat care contine una sau mai multe unitati aritmetico-logice (ALU), o unitate în virgula mobila, cache on-board, registri pentru stocarea instructiunilor si datelor si circuite de control.

O caracteristica fundamentala a tuturor procesoarelor o reprezinta rata la care ele efectueaza operatii. Aceasta poarta numele de frecventa de ceas si e masurata în milioane de cicli pe secunda, Megahertz (MHz) sau miliarde de cicli pe secunda, Gigahertz (GHz). Frecventa maxima a procesorului e determinata de cât de repede poate fi comutat chip-ul. Pe masura ce procesele de fabricatie sunt îmbunatatite circuitele integrate de pe chip devin mai mici si pot fi comutate mai rapid. Astfel creste frecventa de ceas.

1.2.1 Partea exterioara - capsula (packaging)

Microprocesoarele sunt dotate cu diferite tipuri de capsule depinzând de cerintele sistemului.

Pin Grid Array (PGA) - cele mai multe microprocesoare de PC utilizeaza încapsularea PGA. Acesta e un tip de chip în care pinii de conectare sunt localizati la baza în patrate concentrice.

Tape Carrier Package (TCP) - utilizat pentru produse mobile, permite procesorului sa fie mai subtire decât o moneda si sa cântareasca mai putin de 1 g. TCP este o capsula de marimea unui timbru postal eficienta din punct de vedere termic ce ocupa cu 95% mai putin volum decât capsula conventionala.

Modul Card

Single Edge Contact (SEC) - utilizeaza tehnologia SEC pentru cartuse dezvoltata de Intel si care face o mare economie de volum, îmbunatateste protectia la manipulare. Doua cartuse SEC pot fi utilizate într-un singur sistem creându-se astfel o solutie SMP de cost redus care faciliteaza fie performante îmbunatatite fie o verificare functionala repetitiva. Utilizând aceasta tehnologie miezul si cache-ul L2 sunt închise complet într-un cartus de plastic si metal.

Intel Slot 1 - SEC se conecteaza la placa de baza printr-un conector single-edge de marimea unui slot ISA în loc de pini multipli la capsulele PGA.

Socket-uri Intel:

Socket-uri AMD:

1.2.2 Tipuri de procesoare (dupa producatori)

Intel

Procesoare pe 4 si 8 bits

*multiplex adrese/date datorita pinilor în numar mic  MIPS=milioane de instructiuni pe secunda

Procesoare pe 16 biti: originea seriei x86

Procesoare pe 32 biti: μP non-x86

Procesoare pe 32 biti: familia 386

Procesoare pe 32 biti: familia 486

Procesoare pe 32 biti: Pentium ("I")

Alte procesoare 32-bit: Pentium Pro, II, Celeron, III, M

Procesoare 32-bit: Familia Pentium 4

1-integer instruction pipeline a procesorului a crescut de la 20 de etape la 31, ceea ce, teoretic, permite frecvente ale ceasului chiar mai mari.

Procesoare 64-bit

AMD

Arhitecturi precursoare AMD

Procesoare pentru arhitecturi x86

*D 64 disabled

HT - Hyper Transport

1.2.3 Definitii

Branch (ramura, fir de executie) - un punct care reprezinta o potentiala schimbare în executia unui program. O ramura poate fi neconditionata când schimba mereu cursul programului sau conditionata când aceasta schimbare depinde de un anumit factor.

Branch prediction (predictia "ramurii") - o "ghicire" a procesorului daca o anumita ramura va fi executata.

Branch Processing Unit - circuit dedicat pentru prevenirea întârzierilor cauzate de instructiunile ramificate.

Decode (decodare) - examinarea formatului unei instructiuni pentru a determina tipul operatiei si ce operanti specifica.

Dependency (dependenta) - o conditie ce previne ca o instructiune sa fie executata înainte ca alta sa fie terminata. O dependenta veritabila apare atunci când rezultatul unei instructiuni devine input-ul alteia. O dependenta falsa poate fi introdusa atunci când apare executia în neordine (out-of-order), dar poate fi rezolvata prin redenumirea registrilor.

Die area (suprafata de miez, a circuitului integrat) - o dimensiune mica a miezului semnifica costuri reduse deoarece mai multe chip-uri pot fi construite dintr-o singura placuta.

Execution unit (unitate de executie) - o portiune din procesor dedicata realizarii unui anumit tip de operatii, ca functii aritmetice, încarcari de memorie si stocari, procesarea ramurilor.

Fetch (extragere) - încarcarea codului din cache sau memorie înaintea decodificarii.

Floating point (virgula mobila) - un sistem de reprezentare a numerelor printr-o fractie zecimala împreuna cu un exponent (în baza 2 sau în alta baza); de exemplu, 123000 este 1.23*10 la puterea a 5-a.

Instruction (instructiune) - unitatea fundamentala a unui program; unul sau mai multi bytes de informatie ce directioneaza procesorul sa efectueze o anumita sarcina.

Integer instruction vs. floating point instruction (instructiuni întregi vs. instructiuni în virgula mobila) - procesarea de text este considerata instructiune întreaga atâta timp cât textul (si numerele) sunt sablon de biti (00110101).

Load/Store Unit (unitatea de încarcare/stocare) - încarca si stocheaza instructiunile între registri si cache-uri. Acceseaza memoria folosind instructiuni dedicate care încarca o valoare într-un registru din cache si stocheaza o valoare dintr-un registru în cache. Aceasta elimina necesitatea pentru procesarea de adrese separate pentru fiecare acces la memorie.

Micro-op - termenul Intel pentru operatia interna RISC-like în care instructiunile x86 sunt traduse pentru a îmbunatati eficienta procesarii. (instructiunile RISC tind sa fie de un format mult mai simplu si mai complet decât instructiunile x86).

Microcode - o serie de micro-instructiuni (setate a bitilor de control) utilizate pentru a coordona executia instructiunilor complexe împartindu-le în segmente mai mici.

Micron - o masura a latimii. Un micron este un milion dintr-un metru. Parul uman masoara între 50 si 100 microni. 0,18 microni reprezinta aproximativ o cincisutime din latimea firului de par.

Nonblocking - Permiterea operatiilor care urmeaza indiferent daca prima operatie nu a fost complet îndeplinita. Termenul descrie memoria cache ce poate continua procesarea chiar si dupa o pierdere care intervine când datele cerute nu exista în cache.

Out-of-order execution (executie în neordine) - permite obiecte multiple din diferite unitati de executie sa fie procesate în afara ordinii normale. Instructiunile pot fi, apoi recombinate într-o executie a programului potrivita.

Pipeline - un design "linie de asamblare" unde procesarea instructiunilor este împartita în mai multi pasi mai mici sau etape manevrate de circuite separate. Când o instructiune termina o etapa, trece la urmatoarea, iar etapa anterioara începe sa lucreze cu urmatoarea.

Conceptul pipeline-ului este similar cu o linie de asamblare. Instructiunile ramân doar un ciclu de ceas pentru îndeplinirea unei etape a pipeline-ului. O secventa a pipeline reprezinta acum cinci pasi pentru un procesor i486 sau procesor Pentium (sase pasi pentru un Pentium MMX) si patru pasi pentru un procesor 386.

Pasii sunt:

prefetch (preîncarcare)

decodare 1

decodare 2

executare

rescriere

Odata ce aceste procese se petrec simultan, ceea ce "ofera" procesorul reprezinta o instructiune executata pe un ciclu de ceas.

Privilege levels - (nivele de prioritate) procesoarele Intel x86 suporta patru nivele de prioritate numite si inelele de la 0 la 3. Modul kernal este o alta denumire pentru inelul 0. Aplicatiile ruleaza în inelul 3. Inelele ofera un mecanism de protectie bazata pe hardware asa cum hardware previn rularea programelor în inele mai putin privilegiate pentru suprapunerea continutului memoriei controlata de programe mai privilegiate.

Register (registru) - o unitate de stocare mica, foarte rapida, din cadrul procesorului.

Recorder buffer (ROB) - o structura care administreaza executiile în dezordine trasând statutul instructiunilor care au fost descarcate dar nu retrase.

Reservation station (statie de rezerva) - un buffer care pastreaza instructiunile care au fost decodate (micro-operatii) dar neexecutate înca.

Retire (retragere) - pentru a produce rezultate catre registrii arhitecturali si memorie. Instructiunile care sunt executate speculativ nu pot fi retrase pâna ce nu e sigur ca toate dependentele au fost rezolvate.

Serialize (transmite în serie) - forteaza procesorul sa pasteze ordinea normala. Transmiterea în serie este ceruta de anumite instructiuni care nu pot fi procesate în afara ordinii.

Speculative execution (executare speculativa) - o sporire a predictiei ramurii care executa în mod speculativ ramura anticipata. Daca ramura este gresita, procesarea trebuie sa fie corectata. Dar daca ramura este corecta, procesorul este cu un pas în plus. Aceasta metoda pastreaza obiectele de actualitate fara a astepa ca o ramura sa fie rezolvata.

Stall - opreste o portiune din ramura preconizata pentru unul sau mai multe cicluri de ceas.

Superpipelined - având un pipeline mai complicat decât cel obisnuit cu cinci sau sase scene. Design-urile superpipelined tind sa aloce viteze de ceas mai mari decât alte design-uri pipeline. Este folosit de Pentium Pro si Pentium II.

Superscalar - abilitatea de a procesa instructiuni multiple într-un ciclu de ceas. Procesoarele Pentium sunt superscalar datorita structurii lor dual pipeline. 386 si i486 sunt scalar odata ce au doar un pipeline. Pentium are doua unitati de executie (unitati integer). Procesoarele Pentium Pro si Pentium II sunt superscalar.

Transistor (tranzistor) - un procesor cu mai multe tranzistoare este mai puternic. Însa se si încalzeste mai mult.

1.2.4 Coprocesoare matematice

Avem aici diagrama arhitecturii unui P4 inclusiv coprocesorul în dreapta jos (cu roz).

Coprocesorul matematic, denumit si FPU (Floating Point Unit) sau coprocesor detine circuite speciale care permit procesarea numerelor în virgula mobila în mai putine cicluri decât procesorul principal. De exemplu înmultirile de numere în virgula mobila sunt de 3 ori mai rapide decât înmultirile întregi standard la Pentium-ul clasic. FPU mai e utilizat si când algoritmul cere un interval mare sau mare precizie la rezultate.

Aplicatiile trebuie scrise astfel încât sa profite de coprocesorul matematic. În mod tipic doar CAD, analiza statistica, grafica vectoriala, si aplicatiile numerice utilizeaza coprocesorul matematic. Sistemele de operare nu îl folosesc, în general (cu exceptia unei utilizari minore în motorul de grafica).

Procesoarele Intel dupa 486DX au coprocesoare integrate însa performantele lor variaza.

Exemple de FPU anterioare: 387SX, 387DX, 487SX, OverDrive (486DX2).

1.2.5 Bus de adrese

Înainte ca datele sa fie citite sau scrise de μP, adresa acelei date e scrisa mai întâi. Aceasta adresa e trimisa pe un set separat de fire fizice numite bus de adrese. Datele sunt apoi trimise printr-un alt set de fire fizice ce poarta numele de bus de date.

Un procesor e proiectat sa utilizeze o anumita cantitate maxima de linii de adresa. Cantitatea de memorie fizica pe

care un procesor o poate adresa e determinata de aceasta cantitate. Numarul de numere unice ce pot fi construite în sistemul de numeratie binar (cu cifre de 0 si 1) cu cantitatea de cifre de adresa determina maximul de memorie adresabila de

catre un procesor.

Software-ul poate limita aceasta adresabilitate maxima. Exemple

DOS seta procesorul sa utilizeze doar 20 de linii de adresa deoarece DOS acceseaza doar 1MB de memorie

Windows NT 4.0 vedea 4GB de memorie, dar aplicatiile pot adresa doar 2GB

Windows NT 4.0 Entreprise Edition permite aplicatiilor sa adreseze 3GB

Windows NT 5.0 va sparge bariera de 3GB

Iata câteva procesoare si adresabilitatea lor.

486 SLC 24 linii de adresa 16MB

486 DX2 32 linii de adresa 4GB

Pentium 32 linii de adresa 4GB

Pentium Pro/II 24 linii de adresa 64GB

1.2.6 Multiplicatori de ceas

Ex.: procesor cu triplare a frecventei

Alte ratii: 1x, 1.5x, 2x. pâna la 16x.

Avantaje ale frecventelor de ceas mai joase pe placa de baza:

- costul de producere mult redus

- componente ale placii de baza mult reduse

- emisia de frecventa e redusa

Frecventa procesorului e frecventa interna pe când frecventa FSB reprezinta frecventa externa.

În anumite cazuri o frecventa superioara a procesorului poate fi anulata de o frecventa mai redusa a FSB. De exemplu un Pentium 4 Northwood B la 3.06GHz si FSB 533MHz poate fi depasit de un alt P4 Northwood C la 2.4 si FSB 800MHz deoarece apare o diferenta de performanta de 33% pe bus-ul FSB.

Intel au ajuns la o frecventa a bus-ului (FSB) de 800MHz pe când AMD au ajuns chiar la HT1000MHz.

1.2.7 MMX

Este o tehnologie (Intel, dar si AMD) ce este proiectata sa accelereze elementele cheie ale aplicatiilor costisitoare multimedia si de comunicatii, cum ar fi audio, video, grafica 2D, 3D, animatie si recunoasterea vorbirii (speech recognition). La momentul aparitiei MMX a fost cea mai importanta revizuire a arhitecturii x86 de catre Intel de la introducerea procesorului 386.

MMX a aparut începând cu Pentium P55C (1997).

Intel insista asupra faptului ca MMX nu semnifica MultiMedia Extensions, asa ca MMX nu are nici o semnificatie oficiala.

1.2.8 Multiprocesare

Multiprocesarea semnifica utilizarea a mai multe procesoare într-un sistem pentru a creste performantele.

Exista 2 tipuri de baza de multiprocesare: simetrica si asimetrica.

În procesarea asimetrica (slaba conectare), procesoarele sunt dedicate unui anumit tip de sarcini; de aceea un procesor poate fi neutilizat daca sarcinile sale nu sunt necesare.

În procesarea simetrica - SMP (conectare strânsa), fiecare procesor este disponibil pentru orice task (sarcina). Un sistem SMP creste performanta permitând sarcinii de procesat sa fie distribuita între procesoare. Fiecare CPU actioneaza la fel cu celelalte în procesarea task-urilor sau a firelor de executie.

Deoarece se pierd resurse prin managementul controlului procesoarelor performanta sistemului creste cu mai putin de 100%. Cresterea performantei depinde de aplicatiile utilizate ca si de sistemul de operare. Un OS trebuie sa suporte SMP iar aplicatiile trebuie sa fie multithreading ca sa realizeze potentialul SMP.

Urmeaza o comparatie a AMP cu SMP într-un sistem cu 2 procesoare.

ASIMETRIC