Меню

Типы наборов инструкций для цп

Основные архитектуры процессоров

Понятие архитектуры процессора не имеет единого толкования, поскольку под ним понимаются две различные сущности. С программной позиции она представляет собой совместимость процессора с конкретным набором команд, его способность выполнять определённый набор кодов. То есть это способность программы, которая была собрана для архитектуры семейства x86, функционировать на всех x86-совместимых системах. На ARM системе такая программа работать не будет.

С аппаратной позиции архитектура процессора, называемая иногда микроархитектурой, является набором свойств, характерным для всего семейства процессоров и отражающим базовые особенности его внутренней организации. К примеру, микроархитектура процессоров Intel Pentium имела обозначение Р5, а процессоры Pentium 4 относились к NetBurst. После закрытия Intel микроархитектуры Р5 для производителей AMD разработала архитектуру К7 и К8 для процессоров Athlon, Athlon XP и Athlon 64 соответственно.

CISC

CISC-архитектура (Complex Instruction Set Computer) относится к процессорам с полным набором команд. Она имеет нефиксированную длину команд, отличается кодированием арифметических действий в единой команде и малым количеством регистров, большинство из которых выполняет только выделенную функцию.

CISC реализована во множестве типов микропроцессоров, таких как Pentium, которые выполняют большое количество разноформатных команд (порядка 200-300), применяя более десяти различных способов адресации. Командная система может включать несколько сотен команд различного уровня сложности или формата (от 1 до 15 байт).

Всё это делает возможным реализовывать эффективные алгоритмы для различных задач. В качестве примеров CISC-архитектуры, используемой преимущественно для десктопных версий, можно привести следующие процессоры:

  • x86 (IA-32, сокращенное от «Intel Architecture, 32-bit») — ;
  • x86_64 (AMD64);
  • Motorola MC680x0;
  • мейнфреймы zSeries.

В CISC-процессорах каждую из команд возможно заменить на аналогичную ей либо на группу выполняющих такую же функцию команд. Это формирует как достоинства, так и недостатки архитектуры: она обладает высокой производительностью благодаря возможности замены команд, но большей стоимостью в сравнении с RISC, что связано с усложнённой архитектурой, в которой существует множество сложных для раскодирования команд.

RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) относится к процессорам с сокращённым набором команд. В ней быстродействие увеличивается посредством упрощения инструкций: за счёт того, что их декодирование становится проще, уменьшается время исполнения. Изначально RISC-процессоры не обладали инструкциями деления и умножения и не могли работать с числами, имеющими плавающую запятую. Их появление связано с тем, что в CISC достаточно много способов адресации и команд использовались крайне редко.

Система команд в RISC состоит из малого числа часто применяемых команд одного формата, которые можно выполнить за единичный такт центрального процессора. Более сложные и редко применяемые команды выполняются на программном уровне. При этом, благодаря значительному увеличению скорости реализации команд, средняя производительность RISC-процессоров выше, чем у CISC.

Современные RISC-процессоры выполняют порядка сотни команд с закреплённым форматом длиной 4 байта, используя небольшое количество простых способов адресации (индексную, регистровую и другие). Чтобы сократить число обращений к внешней оперативной памяти, в RISC применяются сотни регистров общего назначения (РОН), в то время как в CISC их всего 8-16. В RISC-процессорах обращение к памяти используется только при загрузке данных в РОН либо пересылке результатов в память.

RISC процессор ARM Cortex-A15

Благодаря сокращению аппаратных средств, используемых для декодирования и реализации сложных команд, достигается значительное упрощение и снижение стоимости интегральных схем. В то же время возрастает производительность и снижается энергопотребление, что особенно актуально для мобильного сегмента. Эти же достоинства служат причиной использования во многих современных CISC-процессорах, например в последних моделях К7 и Pentium, RISC-ядра. Сложные CISC-команды заранее преобразуются в набор простых RISC-операций, которые оперативно выполняются RISC-ядром.

Характерными примерами RISC-архитектур являются:

  • PowerPC;
  • DEC Alpha;
  • ARC;
  • AMD Am29000;
  • серия архитектур ARM;
  • Atmel AVR;
  • Intel i860 и i960;
  • BlackFin;
  • MIPS;
  • PA-RISC;
  • Motorola 88000;
  • SuperH;
  • RISC-V;
  • SPARC.

RISC быстрее CISC, и даже при условии выполнения системой RISC четырёх или пяти команд вместо единственной, выполняемой CISC, RISC выигрывает в скорости, поскольку его команды выполняются в разы оперативнее. Однако CISC продолжает использоваться. Это связано с совместимостью: x86_64 продолжает лидировать в десктоп-сегменте, а поскольку старые программы могут функционировать только на x86, то и новые десктоп-системы должны быть x86(_64), чтобы дать возможность старым программам работать на новых устройствах.

Для Open Source это не проблема, ведь пользователь может найти в сети версию программы, подходящую для другой архитектуры. Однако создать версию проприетарной программы для другой архитектуры получится только у владельца исходного кода.

MISC

MISC-архитектура (Minimal Instruction Set Computer) является процессором с минимальным набором команд. Она отличается ещё большей простотой и используется для ещё большего снижения энергопотребления и итоговой стоимости процессора. MISC-архитектура применяется в IoT-сегменте и компьютерах малой стоимости вроде роутеров. Первой вариацией такого процессора стал MuP21.

В основе MISC-процессоров лежит укладка ряда команд в единое большое слово, что позволяет параллельно обрабатывать несколько потоков данных. MISC применяет стековую модель устройства и базовые слова языка Forth. Процессоры этой архитектуры отличаются малым числом наиболее востребованных команд и использованием длинных командных слов, что позволяет получить выполнение ряда непротиворечивых команд за единый цикл работы процессора. Порядок исполнения команд определяется так, чтобы максимально загрузить маршруты, пропускающие потоки данных.

Все вышеназванные архитектуры могут применять «спекулятивное исполнение команд», то есть исполнение команды заранее, когда ещё неизвестна её необходимость. Это позволяет увеличить производительность.

VLIW

VLIW-архитектура (Very Long Instruction Word) относится к микропроцессорам, применяющим очень длинные команды за счёт наличия нескольких вычислительных устройств. В отдельных полях команды присутствуют коды, которые обеспечивают реализацию различных операций. Одна команда в VLIW может исполнить одновременно несколько операций в разных узлах микропроцессора. Формированием таких длинных команд занимается соответствующий компилятор во время трансляции программ, которые написаны на высокоуровневом языке.

VLIW-архитектура, являясь достаточно перспективной для разработки нового поколения высокопроизводительных процессоров, реализована в некоторых современных микропроцессорах:

  • Intel Itanium;
  • AMD/ATI Radeon (с R600 до Northern Islands);
  • серия «Эльбрус».

VLIW процессор Эльбрус-8С

VLIW схожа с архитектурой CISC, имея собственный аналог спекулятивной реализации команд. Однако спекуляция выполняется не при работе программы, а при компиляции, что делает VLIW-процессоры устойчивыми к уязвимостям Spectre и Meltdown. Компиляторы в этой архитектуре привязаны к определённым процессорам. Так, в следующем поколении наибольшая длина одной команды может из 256 бит превратиться в 512 бит, и тогда придётся выбирать между обратной совместимостью со старым типом процессора и возрастанием производительности посредством компиляции под новый процессор. И в этом случае Open Sourсe даёт возможность получить программу под определённый процессор при помощи перекомпиляции.

Развитием указанных архитектур стали различные гибридные архитектуры. К примеру, современные x86_64 процессоры CISC-совместимы, однако имеют RISC-ядро. В этих CISC-процессорах CISC-инструкции переводятся в набор RISC-команд. Вероятно, в дальнейшем разнообразие гибридных архитектур только возрастёт.

Источник

Типы наборов инструкций для цп

Как известно, программирование на Ассемблере — это написание исходных текстов, которые представляют собой набор команд (инструкций) процессора. В этом разделе публикуются подробные описания инструкций процессоров Интел и совместимых.

  • AAA
  • AAD
  • AAM
  • AAS
  • ADC
  • ADD
  • AND
  • CALL
  • CBW
  • CLC
  • CLD
  • CLI
  • CMC
  • CMP
  • CMPSB
  • CMPSW
  • DEC
  • DIV
  • JB
  • JBE
  • JE
  • JG
  • JGE
  • JL
  • JLE
  • JMP
  • JNA
  • JNB
  • JNL
  • INC
  • LEA
  • LDS
  • LES
  • LOOP
  • MOV
  • MUL
  • NEG
  • NOP
  • NOT
  • OR
  • OUT
  • RCL
  • RCR
  • RET
  • SBB
  • STC
  • STD
  • SUB
  • TEST
  • XCHG
  • XLATB
  • XOR

Я уже не раз об этом говорил, но снова повторю — вдруг кто не слышал )))

Каждый процессор имеет свой набор команд (инструкций)!

Поэтому, если вы изучите инструкции одного процессора, то это не значит, что вы легко сможете создавать программы на языке Ассемблера. Потому что язык Ассемблера одинаков для всех процессоров (ну почти одинаков). Однако инструкции, используемые в языке Ассемблера, могут быть (и так оно и есть) отличаться в зависимости от того, для какого процессора вы пишите программу.

Кроме того, команды с одинаковым именем могут по разному работать с разными процессорами.

Тем не менее, изучать то язык как-то надо. Поэтому обычно начинают с каких-то основ. Как правило, с изучения основных инструкций, которые очень похожи для большинства процессоров (и микроконтроллеров в том числе).

Набор базовых команд процессора

Именно с базовых инструкций лучше всего начать изучать Ассемблер. Такими базовыми командами (инструкциями) являются команды сложения, вычитания и других простых математических операций. А также команды перемещения значения из одного источника в другой (например, из области памяти в регистр).

Пример инструкций процессора Интел (8086): ADD (сложение), SUB (вычитание), MOV (перемещение) и т.п.

Базовым набором команд процессора Intel можно считать полный набор инструкций процессора 8086, у которого было 116 команд. У современных процессоров команд, конечно, намного больше (хотя это зависит от архитектуры — есть процессоры с сокращённым набором команд, где их всего несколько десятков).

Современные процессоры кроме основных команд имеют ещё и разные расширения, такие как набор команд MMX, которые предназначены для более быстрого выполнения определённых операций.

Вообще это тема очень объёмная и довольно сложная. Поэтому в очередной раз советую вам изучить (причём очень тщательно) какую-нибудь хорошую книгу по Ассемблеру (на этом сайте есть ссылки на такие книги).

Читайте также:  Приказ МВД России N 776 Минобороны России N 703 ФСБ России N 509 ФСО России N 507 ФТС России N 1820 СВР Р

Ну а я на этом краткий обзор закончу. Смотрите содержание раздела выше. Описания новых инструкций будут периодически добавляться по мере создания материала. Так что подписывайтесь на новости сайта, чтобы всегда быть в курсе последних событий.

Источник

Инструкция процессора, что это такое, для чего он нужен и его типы

Мы уже рассмотрели способ, которым процессоры выполняют инструкции, который называется командным циклом. Но что такое инструкция, когда мы говорим о процессорах? Если вы этого не знаете или это слово вводит вас в заблуждение, то не волнуйтесь, прочитав эту статью полностью, вы без проблем поймете, что такое инструкция компьютерной программы.

Процессоры миллионов компьютеров по всему миру знают только одно — непрерывно выполнять инструкции. А что такое инструкция? Читай дальше что бы узнать.

Что такое инструкция?

Инструкция — это минимальная единица программы, которая сообщает CPU / ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР что делать с помощью серии инструкций, которые выполняются последовательно. Каждая инструкция представляет собой количество битов в двоичном коде, который разделен на три разные части:

  • Биты инструкций: эти биты указывают, какую инструкцию будет выполнять ЦП, и поэтому путь, по которому инструкция будет следовать для выполнения, также называется кодом операции.
  • Биты адресации: указывают, по какому адресу памяти хранятся данные.
  • Биты режима: биты режима указывают, как выполняется инструкция, они используются, когда есть несколько способов выполнить инструкцию или есть разные условия.

Если вы хотите узнать, как процессор выполняет инструкции, мы рекомендуем статью » Вот как ваш процессор выполняет инструкции, которые дает ему программное обеспечение ”В HardZone, на том же сайте.

Инструкции по адресации

ОЗУ ЦП

В зависимости от того, где находятся данные, у нас могут быть разные варианты одного и того же типа инструкций, способ, которым процессор получает доступ к данным, называется режимом адресации.

  • Немедленная адресация используется, когда данные представляют собой одну и ту же инструкцию, в этом случае данные хранятся в регистре или внутренней памяти процессора, которые будут выполняться оттуда.
  • Второй тип адресации — прямая, когда программа указывает адрес памяти, в котором находятся данные.
  • Третий тип адресации — косвенный, который дает нам адрес, по которому находится адрес памяти, в котором находятся данные.

Следует уточнить, что некоторые инструкции не имеют режима адресации, поскольку они не требуют данных для выполнения.

Типы инструкций в ЦП

Вот краткое изложение наиболее распространенных инструкций, используемых различными процессорами. Эти инструкции являются общими для всех регистров и наборов инструкций, независимо от того, являются ли они x86, ARM, MIPS, PowerPC и так далее. Также не имеет значения, является ли набор инструкций RISC или CISC.

  • Арифметические манипуляции инструкции — это те, которые выполняют операции математической обработки, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. А также более сложные операции, такие как тригонометрические формулы, квадратные корни, степени.
  • Самый большой логические инструкции — это второй тип инструкций, выполняемых ALU, на самом деле они представляют собой двоичные операции, имитирующие работу логических вентилей. То есть AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR и NOT.
  • Инструкции по манипулированию битами основаны на манипулировании битами идемной строки с помощью таких инструкций, как сдвиг бита влево или вправо, изменение порядка или их переключение.
  • Инструкции по перемещению данных отвечает за перемещение данных из одной части памяти в другую, из одной памяти в другую, из процессора в память и из памяти в процессор.
  • Инструкции по управлению программой те, которые активируются при выполнении определенных условий, таких как
  • Самый большой инструкции по переходу — это те, которые указывают, что программа переходит не к следующему адресу памяти, а к конкретному адресу памяти, который отмечен инструкцией перехода.

Типы данных и множественность инструкций

Потому что сегодня ЦП может работать с разными типами данных, например с целыми числами и с плавающей запятой. Некоторые арифметические инструкции часто дублируются для набора команд с плавающей запятой. Существуют также векторные инструкции, такие как наборы инструкций AVX или также известные как инструкции SIMD, которые работают с несколькими операндами одновременно.

Поскольку эти инструкции выполняются в разных единицах, они в конечном итоге требуют разных битов инструкций, а это означает, что добавление новых типов данных в процессор означает во многих случаях значительное увеличение набора инструкций, их сложности. . а также часть, которая декодирует и выполняет их на ЦП.

Источник



Технологии и инструкции,
используемые в процессорах

Люди обычно оценивают процессор по количеству ядер, тактовой частоте, объему кэша и других показателях, редко обращая внимание на поддерживаемые им технологии.

Отдельные из этих технологий нужны только для решения специфических заданий и в «домашнем» компьютере вряд ли когда-нибудь понадобятся. Наличие же других является непременным условием работы программ, необходимых для повседневного использования.

Так, полюбившийся многим браузер Google Chrome не работает без поддержки процессором SSE2. Инструкции AVX могут в разы ускорить обработку фото- и видеоконтента. А недавно один мой знакомый на достаточно быстром Phenom II (6 ядер) не смог запустить игру Mafia 3, поскольку его процессор не поддерживает инструкции SSE4.2.

Если аббревиатуры SSE, MMX, AVX, SIMD вам ни о чем не говорят и вы хотели бы разобраться в этом вопросе, изложенная здесь информация станет неплохим подспорьем.

В кратких описаниях ниже упор сделан только на практическую ценность технологий. Пройдя по приведенным ссылкам, можно получить более подробные сведения о каждой из них.

Аббревиатура образована от MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Это набор инструкций процессора, предназначенных для ускорения обработки фото-, аудио- и видеоданных. Разработан компанией Intel, используется в процессорах с 1997 года и на момент внедрения обеспечивал до 70% прироста производительности. Сегодня вам вряд ли удастся встретить процессор без поддержки этой технологии. Подробнее.

3DNow!

Технология впервые была использована в 1998 году в процессорах AMD и стала развитием технологии MMX, значительно расширив возможности процессора в области обработи мультимедийных данных. Ее презентацию совместили с выходом игры Quake 2, в которой 3DNow! обеспечивала до 30% прироста быстродействия. Но широкого распространения 3DNow! не получила. Сейчас она заменена другими технологиями и в новых процессорах не используется. Подробнее.

Аббревиатура от от Streaming SIMD Extensions. SIMD расшифровывается как Single Instruction Multiple Data, что значит «одна инструкция — множество данных».

SSE впервые использована в 1999 году в процессорах Pentium ІІІ и стала своеобразным ответом компании Intel на разработанную компанией AMD технологию 3DNow!, устранив некоторые ее недостатки. SSE применяется процессором, когда нужно совершить одни и те же действия над разными данными и обеспечивает осуществление до 4 таких вычислений за 1 такт, чем обеспечивает существенный прирост быстродействия.

SSE используется огромным числом приложений. Процессоров без ее поддержки сегодня уже не встретишь. Подробнее.

Этот набор инструкций был разработан компанией Intel и впервые интегрирован в процессоры Pentium 4 (2000 — 2001 гг.).

Поддержка инструкций SSE2 является обязательным условием использования современного программного обеспечения. В частности, без этого набора команд не будут работать популярные браузеры Google Chrome и Яндекс-браузер. На компьютере без SSE2 также невозможно использовать Windows 8, Windows 10, Microsoft Office 2013 и др. Подробнее.

Набор из 13 инструкций, разработанный компанией Intel и впервые использованный ею в 2004 г. в процессорах с ядром Prescott. Позволяет процессору более эффективно использовать 128-битные регистры SSE.

Инструкции SSE3 заметно упростили ряд DSP- и 3D-операций. Практическая польза от них больше всего ощущается в приложениях, связанных с обработкой потоков графической информации, аудио- и видеосигналов. Подробнее.

SSSE 3

Сокращение от «Supplemental SSE3», что значит «Дополнительный SSE3». Это набор дополнительных инструкций процессора, внедренных компанией Intel в 2006 году в продолжение развития предыдущих наборов команд SSE. По сути, это был четвертый по счету набор инструкций SSE. Но в Intel решили иначе, возможно, посчитав его лишь незначительным дополнением к предыдущему пакету.

Инструкции SSSE3 необходимы для нормальной работы многих современных приложений, в частности программ распознавания речи, используемых алгоритм DNN (Deep Neural Network). Подробнее.

SSE 4.1

Набор инструкций, разработанный компанией Intel. Используется в процессорах с 2006 года.

SSE 4.1 в значительной степени повышает эффективность процессора при компиляторной векторизации обработки данных, работе с трехмерной графикой и в играх, обработке изображений, видеоинформации и другого мультимедийного контента. Подробнее.

SSE 4.2

Набор инструкций процессора, включающий 7 команд обработки строк, подсчета CRC32 и популяции единичных бит, а также работы с векторными примитивами. Впервые использован компанией Intel в 2008 году.

На практике инструкции SSE 4.2 повышают производительность при сканировании вирусов, поиска текста, строковой обработки библиотек (ZLIB, базы данных и др.), обработки 3D информации. Подробнее.

SSE4A (SSE128)

Набор инструкций, используемый в процессорах AMD с 2007 года. Включает всего 4 команды (инструкции, ускоряющие подсчет числа нулевых/единичных битов, комбинированные инструкции маскирования и сдвига, а также скалярные инструкции потоковой записи).

Читайте также:  Портативная акустическая стереосистема JC222 в Хабаровске

Аналогичные инструкций есть также в наборе SSE 4 (4.1, 4.2.) от Intel, который является значительно более эффективным (в общей сложности 54 инструкции), см. выше. Подробнее.

Расширение системы команд процессора, разработанное в 2008 году компанией Intel с целью ускорения работы и повышения уровня защищенности программ, использующих алгоритм шифрования AES (Advanced Encryption Standard).

В США и некоторых других странах AES является официальным стандартом шифрования. Используется операционной системой Windows и многими популярными программами для защиты конфиденциальной информации (The Bat!, TrueCrypt и др.). Если процессор поддерживает инструкции AES, прирост производительности приложений, использующих этот алгоритм, может достигать 1200 %. Подробнее.

Аббревиатура образована от Advanced Vector Extensions. Это расширение системы команд процессора, разработанное компанией Intel в 2008 году. Оказывает большое влияние на мультимедийные и вычислительные возможности процессора.

Кроме набора новых инструкций, эта технология предусматривает двукратное увеличение размеров SIMD-регистров процессора, благодаря чему в интенсивных вычислениях за каждый такт он может обрабатывать до 2 раз больше информации.

Значительный прирост производительности наблюдается при работе с фото-, видеоконтентом, решении научных задач и др.). Но для этого требуется также использование соответствующей операционной системы и адаптированного программного обеспечения. В Windows поддержка AVX появилась, только начиная с Windows 7 SP1. Подробнее.

AVX 2

Набор инструкций, ставший развитием технологии AVX. Впервые использован в 2013 г. в процессорах Intel на ядре Haswell.

Практическая польза для рядового пользователя — прирост производительности при работе с видео, фотографиями, звуком, а также с программами, использующими алгоритмы распознавания голоса, лиц, жестов (при условии использования соответствующего программного обеспечения). Подробнее.

Набор инструкций процессора, ускоряющий операции умножения-сложения чисел с плавающей запятой. Аббревиатура FMA образована от англ. Fused Multiply-Add, что переводится как умножение-сложение с однократным округлением.

Операции умножения-сложения очень распространены и играют важную роль в работе вычислительной техники. Особенно, когда речь идет о цифровой обработке аналоговых сигналов (двоичное кодирование видео, звука и другие подобные операции). В связи с этим, поддержка инструкций FMA внедрена не только в центральные процессоры, но и в графические процессоры многих современных видеокарт. Подробнее.

NX (XD), EVP

Технологии NX (XD) и EVP, не смотря на разные названия, являются одним и тем же — важным компонентом любого современного процессора, обеспечивающим повышенную защиту компьютера от вирусов и хакерских атак, основанных на механизме переполнения буфера.

Названия NX (No Xecute) и XD (eXecute Disable) характерны для процессоров Intel. EVP (Enhanced Virus Protection) — для процессоров AMD. Подробнее.

AMD64, Intel64

AMD64, Intel64, EM64T, x86-64, x64, Hammer Architecture — все эти термины обозначают одно и то же — 64-битную архитектуру центрального процессора, разработанную и внедренную в 2003 году компанией AMD. До этого процессоры были 32-битными.

Для обычного пользователя главным преимуществом 64-битного процессора является возможность использования в компьютере 64-битного программного обеспечения и большого объема оперативной памяти (теоретически, до 16777216 терабайт). Максимальное количество оперативной памяти, которое может адресовать 32-битный процессор — 4 ГБ. Подробнее.

XOP (от англ. eXtended operation — «расширенная операция») — это набор инструкций микропроцессора, повышающих его быстродействие при работе с мультимедиа, а также при решении научных задач.

Инструкции XOP впервые использованы в 2011 году в процессорах AMD архитектуры Bulldozer. В этот набор входит несколько различных типов векторных инструкций, большинство из которых являются целочисленными. Однако, есть среди них также инструкции для перестановки чисел с плавающей запятой и инструкции экстракции дробной части. Подробнее.

HT, SMT

В процессорах Intel технология многопоточности называется Hyper-Threading (HT), в процессорах AMD — Simultaneous MultiThreading (SMT).

Кроме названий, эти технологии отличаются еще и многими аспектами реализации. Однако, суть их одинакова. HT и SMT повышают эффективность использования вычислительных возможностей процессора (в среднем, на 20 — 30 %) за счет параллельного выполнения каждым его ядром двух потоков вычислений. Подробнее.

Аппаратная виртуализация (VT-x, VT-d, AMD-V)

Аппаратная виртуализация значительно расширяет возможности работы компьютера с виртуальными машинами, позволяя использовать гостевые операционные системы изолировано от основной (хостовой) системы.

Кроме того, появляется возможность «проброса» в гостевую систему устройств ввода-вывода, подключаемых к компьютеру через шину PCI и некоторые другие шины (видеокарты, звуковые карты, сетевые адаптеры и др.). Подробнее.

Turbo Boost, Turbo Core

Turbo Boost и Turbo Core — похожие по своей сути технологии, автоматически повышающие тактовую частоту процессора выше номинальной, когда в этом есть необходимость. Turbo Boost используется в процессорах Intel, Turbo Core — в процессорах AMD. В целом, они обеспечивают значительный прирост быстродействия в большинстве приложений.

Несмотря на одинаковое предназначение, Turbo Boost и Turbo Core существенно отличаются. Подробнее.

TXT (англ. Trusted eXecution Technology — технология доверенного выполнения) — разработанная компанией Intel и используемая в ее процессорах технология, обеспечивающая аппаратную защиту компьютера от вредоносных программ.

Это абсолютно новая концепция безопасности. В ее основе лежит эксклюзивное использование части ресурсов компьютера каждым конкретным приложением. Она охватывает практически все подсистемы компьютера: выделение памяти, мониторинг системных событий, связь чипсета и памяти, хранение данных, устройства ввода (клавиатура и мышь), вывод графической информации. Подробнее.

TSX (Transactional Synchronization eXtensions) — набор инструкций многоядерного процессора, разработанный компанией Intel, который повышает эффективность взаимодействия ядер между собой при осуществлении общего доступа к одним и тем же данным и, в конечном счете, увеличивает общую производительность компьютера. Подробнее.

SpeedStep, PowerNow!, Cool’n’Quiet

Принцип действия этих технологий состоит в автоматическом снижении частоты процессора, а вследствие — потребляемой им энергии и выделяемого тепла, в периоды, когда компьютер не выполняет никаких задач или когда сложность этих задач является незначительной.

Это особенно важно для мобильных устройств, расход заряда аккумулятора которых существенно уменьшается. В настольных системах самым ощутимым моментом является снижение шума системы охлаждения процессора. Подробнее.

Memory Protection Extensions — технология, обеспечивающая повышенную защиту компьютера от вирусных и других угроз, использующих механизм переполнения буфера.

Процессор получает возможность дополнительно проверять границы буферов стека и буферов кучи перед доступом к памяти, чтобы приложение, обращающееся к памяти, имело доступ лишь к той ее области, которая ему назначена. Вследствие этого хакеру или вредоносной программе становится значительно сложнее через память «подставлять» процессору свой код. Подробнее.

Software Guard Extensions (SGX) — набор инструкций, разработанный компанией Intel и используемый в ее процессорах, начиная с архитектуры Skylake.

SGX позволяет организовать защищённые участки кода и данных (так называемые «анклавы»), обеспечивающие высокий уровень защиты работающих с ними программ от вредоносных приложений и хакерских атак. Подробнее.

Intel SHA

Intel Secure Hash Algorithm extensions (SHA) — набор инструкций процессора, разработанных компанией Intel для ускорения работы приложений, используемых алгоритмы шифрования SHA. Включает 7 инструкций, 4 из которых ускоряют работу SHA-1, остальные 3 — SHA-256. Ускорение может составлять 150-200 % и более (в зависимости конкретного приложения).

Эти алгоритмы используются в системах контроля версий и электронных подписей, а также для построения кодов аутентификации. SHA-1 является более распространённым и применяется в самых разнообразных криптографических программах. Подробнее.

Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) — стандарт, разработанный компаниями HP, Intel, Microsoft, Phoenix и Toshiba. Используется в компьютерной технике с 1996 года, постепенно дополняясь и совершенствуясь. Определяет общий подход к управлению питанием и обеспечивает взаимодействие между устройствами компьютера, его операционной системой и BIOS/UEFI в целях снижения уровня энергопотребления.

Стандарт ACPI предусматривает несколько режимов работы процессора. В зависимости от модели, они могут поддерживаться процессором в полном объеме или только какая-то их часть. Подробнее.

System Management Mode (SMM) — режим, при котором процессор приостанавливает исполнение любого кода (в том числе и операционной системы) и запускает специальную программу, хранящуюся в зарезервированной области оперативной памяти.

Процессор переводится в режим SMM не программным обеспечением, а после поступления сигнала, генерируемого при наступлении определенных событий специальными схемами материнской платы. Нужен для решения некоторых важных задач, таких как обработка ошибок памяти и чипсета материнской платы, защита процессора от перегрева путем выключения компьютера и др. Подробнее.

Dynamic Front Side Bus Frequency Switching (DFFS) — одна из технологий снижения энергопотребления компьютерных систем. Она позволяет операционной системе компьютера, в зависимости от нагрузки, которую он испытывает, понижать частоту системной шины FSB, что влечет за собой также и снижение частоты процессора. Подробнее.

SenseMI

SenseMI — технология, разработанная компанией AMD и впервые использованная в процессорах серии Ryzen. Она представляет собой комплекс из нескольких взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих оптимальную производительность и энергоэффективность путем прогнозирования программного кода, а также динамического изменения частоты процессора в соответствии с решаемыми задачами в каждый конкретный момент времени (Smart Prefetch, Neural Net Prediction, Pure Power, Precision Boost, Extended Frequency Range).

Некоторые из упомянутых компонентов, по сути, являются усовершенствованными вариантами технологий, используемых в предыдущих моделях процессоров AMD. Подробнее.

AMD CoolCore

AMD CoolCore — технология, осуществляющая временное отключение неиспользуемых блоков процессора в целях снижения энергопотребления и выделяемого им тепла. Впервые использована в процессорах Phenom. Подробнее.

AMD CoolSpeed

AMD CoolSpeed — технология, разработанная компанией AMD для защиты процессора от перегрева путем понижения частоты и напряжение питания. Подробнее.

Читайте также:  Контроллер электровелосипеда что это принцип работы виды выбор популярные модели подключение

AMD Enduro

AMD Enduro — технология, позволяющая переключать компьютер, оснащенный двумя графическими решениями, с одного устройства на другое, в зависимости от решаемых в конкретный момент времени задач. Поддерживается видеокартами AMD, а также гибридными (имеющими встроенное графическое ядро) процессорами этой компании.

Ценной Enduro является для мобильных компьютеров, поскольку позволяет существенно экономить заряд аккумулятора. Подробнее.

BMI, TBM, ABM

Bit Manipulation Instructions (BMI) — наборы инструкций, используемые в процессорах Intel и AMD для ускорения операций, связанных с манипулированием битами.

Операции манипулирования битами чаще всего используется приложениями, предназначенными для низкоуровневого управления устройствами, обнаружения и исправления ошибок, оптимизации, сжатия и шифрования данных. Использование BMI программами значительно ускоряет эти операции (иногда в несколько раз), однако, код программ становится более сложным для написания программистами. Подробнее.

DPM, DDPM

Dynamic Power Management и Dual Dynamic Power Management- технологии автоматического динамического изменения питания процессора. В совокупности с другими энергосберегающими технологиями, они значительно повышают его энергоэффективность, снижая уровень питания в периоды простоя или незначительных загрузок и повышая его, когда это необходимо. Подробнее.

SMEP, SMAP

Supervisor Mode Execution Prevention и Supervisor Mode Access Prevention — технологии, разработанные компанией Intel для защиты компьютера от хакерских атак и других угроз, использующих так называемый «режим супервизора». Подробнее.

F16C — набор инструкций, используемый в процессорах архитектуры x86 для ускорения преобразований между двоичными числами половинной точности (16 bit) и стандартными двоичными числами с плавающей запятой одинарной точности (32 bit).

F16C используется как в процессорах AMD, так и в процессорах Intel, значительно расширяя их возможности в плане работы с мультимедийными данными, а также данными других типов. Подробнее.


НАПИСАТЬ АВТОРУ

Источник

Как работает процессор?

Как работает процессор?

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

  • УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
  • УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

21 июня в 20:00, Онлайн, Беcплатно

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора в статье «Как работает процессор?»

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

  • RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
  • JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
  • T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
  • D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

  • Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
  • Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
  • Информационные: move , input , outptut , load и store .
  • Команды перехода: goto , if . goto , call и return .
  • Команда останова: halt .

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

  1. LOAD_A 8 . Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, . Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A .
  2. LOAD_B 2 . Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 ( 0010 ) в регистр B .
  3. ADD B A . Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A ). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A .
  4. STORE_A 23 . Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23 .

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Иллюстрация работы шины в статье «Как работает процессор?»

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Иллюстрация потока инструкций в статье «Как работает процессор?»

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Источник