Содержание:
Сегодняшние вычислительные системы базируются на высокопроизводительных центральных процессорах (ЦПУ), которые являются результатом многолетних разработок и инноваций. В этом материале мы углубимся в изучение архитектуры современных ЦПУ, сосредоточившись на двух ключевых блоках: арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и исполнительном устройстве (УУ).
АЛУ является сердцем ЦПУ, отвечающим за выполнение арифметических и логических операций. Современные АЛУ способны выполнять множество операций параллельно, что существенно ускоряет обработку данных. Например, в процессорах Intel Core последних поколений используется АЛУ с поддержкой AVX-инструкций, которое может обрабатывать до 16 чисел с плавающей точкой одновременно.
Исполнительное устройство (УУ) является другой важной составляющей ЦПУ. Оно отвечает за извлечение инструкций из памяти и их исполнение. Современные УУ способны выполнять несколько инструкций одновременно, что называется параллельной обработкой. Это достигается за счет таких технологий, как суперскалярность, векторная обработка и многопоточность. Например, процессоры AMD Ryzen используют технологию Zen, которая включает в себя суперскалярное УУ с поддержкой SMT (Simultaneous Multithreading), позволяющее выполнять до 16 потоков одновременно.
Математическая и Логическая Единица (МЛЕ) — основные функции и типы
Функции МЛЕ:
- Выполнение арифметических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и деление.
- Выполнение логических операций, таких как И, ИЛИ, НЕ и XOR.
- Выполнение битовых операций, таких как сдвиг, побитовое И, побитовое ИЛИ и побитовое НЕ.
- Выполнение операций с плавающей точкой, таких как сложение, вычитание, умножение и деление.
Типы МЛЕ:
Одноцикловые МЛЕ
Одноцикловые МЛЕ выполняют все операции за один такт. Они просты в реализации, но имеют ограничения в скорости и энергопотреблении.
Мультицикловые МЛЕ
Мультицикловые МЛЕ выполняют операции за несколько тактов. Они более сложны в реализации, но могут работать быстрее и потреблять меньше энергии, чем одноцикловые МЛЕ.
Управляющая единица (УУ) — организация и роль в современных процессорах
Основной задачей УУ является извлечение команд из памяти и их передача в исполнительные устройства процессора. Для этого она содержит программный счетчик, который указывает адрес следующей команды, и программный регистр, который хранит текущую команду. Кроме того, УУ включает в себя буфер предсказания ветвлений, который используется для ускорения исполнения программ за счет предсказания результатов условных переходов.
Одной из важных особенностей современных УУ является их способность работать с несколькими потоками команд одновременно. Это достигается за счет использования техники разветвления команд (branch prediction) и реорганизации команд (instruction reordering). Благодаря этому УУ может одновременно обрабатывать несколько команд, что существенно повышает производительность процессора.
Для эффективной работы УУ современные процессоры используют кэширование команд. Кэш УУ хранит часто используемые команды, что позволяет УУ быстрее извлекать их из памяти. Это существенно ускоряет процесс исполнения команд и повышает общую производительность процессора.