MP? TAS ir ļoti vienkārši!
MP
MP?
TAS ir ļoti vienkārši!
Nobeigums.
Sākums SP 2002/3.
Citi MP
jauninājumi
Konveijerapstrāde
Pirmie mikroprocesori
(MP) apstrādāja vienu instrukciju no piegādes līdz
izpildei, pirms nākošā darba taktī sākt
nākošās instrukcijas izpildi. Taču superdatoros jau
kopš 1960. gada bija pazīstama t. s. datu konveijerapstrāde (pipelining), kas
ļāva sākt nākošās instrukcijas izpildi,
nepabeidzot iepriekšējo. 70. gadu beigās to sāka izmantot
MP INTEL 8086 (1. zīm.) [1].
Dažādās ķešas
Bez parastā RAM
parasti MP satur arī super RAM atmiņu jeb Cache Memory, no kuras MP
datus var iegūt ļoti ātri, burtiski MP atliek pastiept roku
savā kabatā (ķešā), kas izvietota turpat uz čipa.
Pirmo reizi šādu kešatmiņu uz čipa
ieviesa firma Motorola savā MP
MC 68020. Nākošais posms bija kešatmiņā atdalīt
instrukcijas no datiem. To darīja tā pati Motorola savā MP
MC 68030. Ķešā ieliktā
atmiņa ir ātra, bet mazietilpīga. Pirmo reizi ar otro
īpašību to bagātināja 1994. gadā firma Digital procesorā
Alfa 21164. Patlaban visiem
augstākās klases MP ir šādas ātras un ietilpīgas
divlīmeņu ķešas uz čipa. GPP Pentium IV tiek izmantota
t. s. Trace Cache, kurā
uzglabā instrukcijas tādā secībā, kā tās
nesen tika izpildītas, nevis statiskā secībā, ko tai
noteicis kompilators. Tā jau ir dinamiska ķeša.
Funkcionālie bloki
uz čipa
Sākotnēji MP
darbojās vienā taktī ar atsevišķu IMS, kas
nodrošināja peldošā komata operācijas. Pirmo reizi uz
čipa šo bloku realizēja firma Motorola MP MC 88100 un
Intel procesorā 486.
Šī tendence turpinās - uz MP čipa tika izvietoti arī
citi specializētie funkcionālie bloki, piemēram,
atsevišķs ALU adresācijas bloks, shēmas, kas nodrošina
atmiņas viennozīmību, grafisko datu atbalsta bloks u. c.
Šie jauninājumi sāka ieviesties no 1986. gada firmas Intel MP i860.
Konveijerapstrāde ar
prognozi
Konveijerapstrādes
priekšrocības zūd, ja tajā kāds posms apstrādes
procesu sāk aizkavēt. Šādu kavēšanos vēlams
prognozēt. Īpaši aparatūras prognozes bloki, kas nodrošina
vienlaidus datu apstrādi, sāka parādīties tikai 90. gadu
sākumā: Motorola MC 88110, Digital Alfa 21064 un Intel Pentium procesoros.
Klasteri
(moduļi)
Ja tranzistors ir
ļoti niecīgs (~ 150 mm) un augsta takts frekvence (virs ~ 1 GHz),
toties palielināts čipu izmērs (no viena līdz dažiem
cm2), sāk izpausties signālu aizkavējums, tiem
šķērsojot čipu no viena stūra uz otru!
Vienīgā izeja: MP kodola sadalīšana klasteros tā, lai
rezultātus, kas iegūti vienā klasterā, varētu izmantot
citā funkcionālā blokā, bet tai pašā
klasterā. 90. gadu beigās šos efektus firmas Digital
projektētāji ņēma vērā procesorā Alfa 21264.
Ātrie kodoli
Lai
paātrinātu datu apstrādes procesu, sevišķi tās
trešo posmu (sk. SP 2002/3, 29. lpp., t. i., raksta sākumu),
apstrādes operāciju izpildes kodolam var likt darboties
ātrāk, salīdzinot ar pārējām MP daļām.
Tas pirmo reizi realizēts 2000. gadā Pentium IV
procesorā, kurā ALU bloks darbojas 3,4 GHz frekvencē, kamēr
MP taktsfrekvence ir tikai 1,7 GHz.
SMT (Simultaneons
Multithreading)
Tā ir
vienlaicīga laiksakritīgu vairāku uzdevumu apstrāde, ko
veic viena programma. Angļu thread - pavediens -
jāsaprot vārdā multithreading kā
vairākas programmas daļas, ko var apstrādāt vienlaikus
(simultāni). Lai gan paņēmiens bija zināms kopš 1978.
gada, MP jomā tas tika izmantots tikai 2000. gadā Pentium IV
procesorā.
Nākotne?
Nav labi
nepārtraukti jautāt, bet, mēģinot izprast MP
attīstību turpmākā nākotnē, tas, šķiet,
jādara. Ko darīs datorspeciālisti ar MP, kas saturēs
vairākus 100 miljonus, varbūt pat miljardus tranzistoru? Cik ilgi
vēl darbosies deģenerētais Mūra likums, kura
rezultātā ik pa sešiem gadiem MP raksturlielumi uzlabojas par
vienu kārtu? Vai mikroskopiski supersīciņajos tranzistoros
nesāks izpausties kvantu mehāniskie efekti, izmainot vai nomācot
šāda tranzistora darbību? Vai pāriesim pie citiem
datortehnikas attīstības principiem? Vai izmantosim miljards
tranzistora čipu, lai plaukstdatorā cilvēka valodā
iekliegtu problēmu, lai tas pats formulētu algoritmu,
izstrādātu programmu, veiktu vajadzīgās darbības un
dotu tūlītēju problēmas risinājumu?
Skaidrs tikai tas, ka
zinātnē, tehnikā un sadzīvē mazais MP čips
vēl ienesīs daudz jauna.
Arnolda VĪTOLS
Ekskluzīvi SP
Informācijas
avoti (sk. arī SP 2002/3, 29. lpp.):
1. Udo
Zőlzer. Digital Audio Signal processing. John Willey and Sons, Ltd., N-Y,
Toronto 1999.
2. A.Baums,
Privāta komunikācija.
2.
IEEE Spectrum 2001,
June, 62.
2.
2.
2.
1. zīm. Datu
konveijerapstrāde.
3.
MP?
TAS ir ļoti vienkārši!
Nobeigums. Sākums SP 2002/3.
Citi MP jauninājumi
Konveijerapstrāde
Pirmie mikroprocesori (MP) apstrādāja vienu instrukciju no piegādes līdz izpildei, pirms nākošā darba taktī sākt nākošās instrukcijas izpildi. Taču superdatoros jau kopš 1960. gada bija pazīstama t. s. datu konveijerapstrāde (pipelining), kas ļāva sākt nākošās instrukcijas izpildi, nepabeidzot iepriekšējo. 70. gadu beigās to sāka izmantot MP INTEL 8086 (1. zīm.) [1].
Dažādās ķešas
Bez parastā RAM parasti MP satur arī super RAM atmiņu jeb Cache Memory, no kuras MP datus var iegūt ļoti ātri, burtiski MP atliek pastiept roku savā kabatā (ķešā), kas izvietota turpat uz čipa. Pirmo reizi šādu kešatmiņu uz čipa ieviesa firma Motorola savā MP MC 68020. Nākošais posms bija kešatmiņā atdalīt instrukcijas no datiem. To darīja tā pati Motorola savā MP MC 68030. Ķešā ieliktā atmiņa ir ātra, bet mazietilpīga. Pirmo reizi ar otro īpašību to bagātināja 1994. gadā firma Digital procesorā Alfa 21164. Patlaban visiem augstākās klases MP ir šādas ātras un ietilpīgas divlīmeņu ķešas uz čipa. GPP Pentium IV tiek izmantota t. s. Trace Cache, kurā uzglabā instrukcijas tādā secībā, kā tās nesen tika izpildītas, nevis statiskā secībā, ko tai noteicis kompilators. Tā jau ir dinamiska ķeša.
Funkcionālie bloki uz čipa
Sākotnēji MP darbojās vienā taktī ar atsevišķu IMS, kas nodrošināja peldošā komata operācijas. Pirmo reizi uz čipa šo bloku realizēja firma Motorola MP MC 88100 un Intel procesorā 486. Šī tendence turpinās - uz MP čipa tika izvietoti arī citi specializētie funkcionālie bloki, piemēram, atsevišķs ALU adresācijas bloks, shēmas, kas nodrošina atmiņas viennozīmību, grafisko datu atbalsta bloks u. c. Šie jauninājumi sāka ieviesties no 1986. gada firmas Intel MP i860.
Konveijerapstrāde ar prognozi
Konveijerapstrādes priekšrocības zūd, ja tajā kāds posms apstrādes procesu sāk aizkavēt. Šādu kavēšanos vēlams prognozēt. Īpaši aparatūras prognozes bloki, kas nodrošina vienlaidus datu apstrādi, sāka parādīties tikai 90. gadu sākumā: Motorola MC 88110, Digital Alfa 21064 un Intel Pentium procesoros.
Klasteri (moduļi)
Ja tranzistors ir ļoti niecīgs (~ 150 mm) un augsta takts frekvence (virs ~ 1 GHz), toties palielināts čipu izmērs (no viena līdz dažiem cm2), sāk izpausties signālu aizkavējums, tiem šķērsojot čipu no viena stūra uz otru! Vienīgā izeja: MP kodola sadalīšana klasteros tā, lai rezultātus, kas iegūti vienā klasterā, varētu izmantot citā funkcionālā blokā, bet tai pašā klasterā. 90. gadu beigās šos efektus firmas Digital projektētāji ņēma vērā procesorā Alfa 21264.
Ātrie kodoli
Lai paātrinātu datu apstrādes procesu, sevišķi tās trešo posmu (sk. SP 2002/3, 29. lpp., t. i., raksta sākumu), apstrādes operāciju izpildes kodolam var likt darboties ātrāk, salīdzinot ar pārējām MP daļām. Tas pirmo reizi realizēts 2000. gadā Pentium IV procesorā, kurā ALU bloks darbojas 3,4 GHz frekvencē, kamēr MP taktsfrekvence ir tikai 1,7 GHz.
SMT (Simultaneons Multithreading)
Tā ir vienlaicīga laiksakritīgu vairāku uzdevumu apstrāde, ko veic viena programma. Angļu thread - pavediens - jāsaprot vārdā multithreading kā vairākas programmas daļas, ko var apstrādāt vienlaikus (simultāni). Lai gan paņēmiens bija zināms kopš 1978. gada, MP jomā tas tika izmantots tikai 2000. gadā Pentium IV procesorā.
Nākotne?
Nav labi nepārtraukti jautāt, bet, mēģinot izprast MP attīstību turpmākā nākotnē, tas, šķiet, jādara. Ko darīs datorspeciālisti ar MP, kas saturēs vairākus 100 miljonus, varbūt pat miljardus tranzistoru? Cik ilgi vēl darbosies deģenerētais Mūra likums, kura rezultātā ik pa sešiem gadiem MP raksturlielumi uzlabojas par vienu kārtu? Vai mikroskopiski supersīciņajos tranzistoros nesāks izpausties kvantu mehāniskie efekti, izmainot vai nomācot šāda tranzistora darbību? Vai pāriesim pie citiem datortehnikas attīstības principiem? Vai izmantosim miljards tranzistora čipu, lai plaukstdatorā cilvēka valodā iekliegtu problēmu, lai tas pats formulētu algoritmu, izstrādātu programmu, veiktu vajadzīgās darbības un dotu tūlītēju problēmas risinājumu?
Skaidrs tikai tas, ka zinātnē, tehnikā un sadzīvē mazais MP čips vēl ienesīs daudz jauna.
Arnolda VĪTOLS
Ekskluzīvi SP
Informācijas avoti (sk. arī SP 2002/3, 29. lpp.):
1. Udo Zőlzer. Digital Audio Signal processing. John Willey and Sons, Ltd., N-Y, Toronto 1999.
2. A.Baums, Privāta komunikācija.
2.
IEEE Spectrum 2001,
June, 62.
2.
2.
2.
1. zīm. Datu
konveijerapstrāde.
3.