Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Transkript

1 Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

2 Registrační číslo projektu Šablona Autor Název materiálu CZ.1.07/1.5.00/ III/2 INOVACE A ZKVALITNĚNÍ VÝUKY PROSTŘEDNICTVÍM ICT Mgr. Petr Štorek 7. CPU typy Ověřeno ve výuce dne Předmět Ročník Klíčová slova Anotace Metodický pokyn Počet stran Informatika Kvinta Druhy CPU, architektura CPU, koprocesor, šířka slova. Prezentace seznamuje se základními typy CPU, popisuje je z hlediska hodnotících kritérií. Zvláštní pozornost je věnována architektuře procesoru, zejména pak vlastnostem jednotlivých komponent, jež určují jeho výkon. prezentace je určena jako výklad do hodiny i jako materiál určený k samostudiu 23 Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora.

3 Druhy procesorů procesor Array procesor Back-End procesor Bit-Slice procesor grafický 3D procesor RISC procesor CISC procesor tabulkový

4 Vlastnosti CPU rychlost CPU účinnost mikrokódu šířka slova numerický koprocesor počet instrukčních kanálů - maximální počet instrukcí proveditelných v jednom taktu řízení instrukčních kanálů - možnost předpovídat násle-dující prováděné instrukce interní cache RAM šířka toku dat maximum paměti

5 Procesor Array Skládá se z většího počtu elementárních buněk, které jsou tvořeny buď prvky hardware nebo jednotlivými procesory. Dokáže vykonávat matematické operace nad celou množinou čísel v daném čase. Vznikl v 70. a 80. letech 20. století při navrhování superpočítačů. Dnes má uplatnění jako GPU u grafických karet. 5

6 Procesor Back-End Záložní procesor nebo také pomocný procesor, jehož činnost je podřízena hlavním funkcím počítače. Svou činností uvolňuje hlavní procesor pro jinou činnost. Tento procesor se využívá pro rychlý přístup k databázi nebo jako grafický procesor. 6

7 Procesor Bit-Slice Procesor založený na technice bit slicing. Procesor je konstruován z modulů schopných pracovat s menší bitovou šířkou. Každý z těchto modulů bitovou zpracovává šířkou jednu část bitového slova neboli bitové pole z operandů. Jsou-li náležitě seskupeny, jsou tyto moduly schopny zpracovat plné bitové slovo (dané šířkou datové sběrnice nebo obecně libovolně dlouhé bitové slovo. 7

8 Šířka slova Čím větší číslo počítač zpracovává, tím se prodlužuje doba, kterou potřebuje k výpočtu. Šířka slova determinuje největší číslo, které může počítač zpracovat během jedné operace (8, 16, 32 nebo 64 bitů). Podle šířky slova jsou označovány registry úložiště dat v mikroprocesoru. 8

9 Šířka přenosu dat = šířka vnější datové sběrnice. Udává kolikabitové číslo lze přenést do (z) CPU během jedné operace. Měří se v bitech. Čím je větší šířka přenášeného slova, tím větší množství dat se přenese v daném čase.

10 Rychlost CPU Je vyjadřována jako počet operací, které je procesor schopen provést během jednoho taktu např. 3,2 MHz (taktovací frekvence se udává v MHz). Problém procesor typu RISC strojová instrukce trvá právě jeden takt x procesory typu CISC strojová instrukce trvá různý počet taktů => nelze proto procesory porovnávat jen na základě taktovací frekvence. 10

11 Rychlost CPU Superskalární procesor umožňuje paralelně vykonat více strojových instrukcí, protože řadič procesoru některé součásti CPU duplikuje a paralelně úkoluje. Pipeling umožňuje, aby se instrukce překrývaly, tzn. v procesoru je více strojových instrukcí v různém stupni rozpracování. Za dobu trvání zpracování jedné instrukce tedy může být dokončeno více strojových instrukcí. 11

12 Rychlost procesoru Taktovací frekvence procesoru je vyšší než rychlost sběrnice, která spojuje paměť RAM s procesorem. Dochází ke zdržení procesoru. Řešením je včlenění cache mezi procesor a paměť, což vede k omezení čekacích stavů procesoru a zrychlení celého počítače. Současné procesory mají integrovanou cache, jejíž velikost se pohybuje v řádu megabajtů MB.

13 Fáze instrukce načtení instrukce (fetch) z RAM nebo z vyrovnávací paměti instrukcí; dekódování instrukce(decode) zpracovává dekodér instrukcí; získání operandů CPU musí vědět co a kam přesunout; provedení instrukce (execute); zápis výsledků po provedení instrukce se vytvořené hodnoty i stavové informace zapíší do registrů.

14 Koprocesor = FPU- Floating Point Units Koprocesor je určen pro práci s desetinnými čísly. Tuto činnost vykonává 10x - 100x rychleji než procesor. Operace s celými čísly byly ponechány CPU, který je k této činnosti navržen. FPU je nejvíce využit v programech databázových, tabulkových aplikacích a při zpracování grafiky.

15 Architektura CPU = vnitřní struktura procesoru, např. počet registrů a šířka. Základní jednotky vnitřní struktury procesoru: řadič CU (povinná součást CPU); ALU (povinná součást CPU); registry.

16 Řadič CU Úkoly řadiče: číst data, čísla a instrukce z operační paměti; dekódovat je a generovat řídící signály, tedy řídit činnost ostatních jednotek v procesoru a počítači; řídit pořadí, v němž jsou prováděny instrukce programů. Zjistěte pomocí internetu, jaký souhrnný název se používá pro řadičem čtená data a čísla. (operandy)

17 Části řadiče 1.Registr adres instrukci(rai) obsahuje číslo od nuly až do hodnoty adresy poslední paměťové buňky v operační paměti. Tato hodnota omezuje velikost operační paměti, kterou lze k CPU připojit, např. 64bitový registr 2 na 64 = 18 EB (exabajtů). 2.Registr instrukce po datové sběrnici se do něho přivádí z operační paměti instrukce. Zde je uložena než je přepsaná instrukcí následující.

18 Části řadiče 2 3.Dekodér instrukce instrukce je přivedena z registru na dekodér, kde se dekóduje nalezne se mikrokód k vykonání instrukce. 4.Generátor řídících impulzů - spuštěním mikrokódu se v určité časové posloupnosti generují řídící impulsy do ostatních jednotek počítače.

19 Schéma řadiče

20 ALU = zařízení, které na základě řídících signálů z řadiče CPU provádí matematické (sčítání, odčítání, negaci) a logické operace (AND, OR). Pro práci s reálnými čísly s plovoucí (pohyblivou) řádovou čárkou jsou v procesoru integrovány výpočetní jednotky FPU (Floating Point Unit). Pro ALU a FPU se používá označení výkonné jednotky (Execution Units).

21 Úkoly 1. Co je šířka bitového slova? 2. Z kterých základních dvou částí se skládá CPU? 3. Popiš funkci řadiče CU. 4. Odliš pojetí procesorů typu RISC a CISC. 5. Zdůvodni, jak pipeling a superskalární procesor ovlivňují rychlost CPU. 6. Jakou funkci plní koprocesor. 7. Které operace vykonávají výkonné jednotky? 8. CPU obsahuje 32bitový registr. Jak velikou operační paměť k němu lze připojit?

22 Úkoly Doplň do schématu v přiloženém souboru Řadič.doc správné názvy částí řadiče CU.

23 Použitá literatura [1] DEMBOWSKI, Klaus. Mistrovství v hardware. Brno: Computer Press, 2009, 712 s. ISBN [2] NAVRÁTIL, Pavel. S počítačem nejen k maturitě 1. Vyd. 7. Kralice na Hané: Computer Media, s. ISBN [3] WINKLER, Peter. Velký počítačový lexikon: co je co ve světě počítačů. Brno: Computer Press, 2009, 520 s. ISBN