Технологии многоядерности центрального процессора

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ «НИЖНЕТАГИЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ им. Н.А.Демидова»

Курсовой проект по дисциплине «Микропроцессорные системы»

на тему: «Технологии многоядерности

центрального процессора»

Выполнил студент

гр. КС-325

Хамидулина К.К.

Проверил

преподаватель

Чехомова М.И.

2014 г

Содержание

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб.

Лит.

Лист

Листов

Проверил

Гр. -  КС-325

Н. Конт.

Утв.

Введение

На сегодняшний день процессоры стали частью нашей жизни. Они используются в электронных приборах практически во всех сферах человеческой жизни: в армии, медицине, образовании, коммерческой деятельности, быту и многом другом. В быту процессоры применяются в телевизорах, телефонах, холодильниках. Развитие микропроцессоров увеличивает функциональные и вычислительные возможности электронных приборов. Уменьшающейся размер микропроцессоров позволяет встраивать их в более мелкие приборы, такие как телефоны и планшетные компьютеры, а увеличивающаяся вычислительна мощность процессора позволяет решать более сложные задачи. Для увеличения производительности процессоров используют многоядерные архитектуры.

Цель: познакомиться с технологией многоядерности центрального процессора и спроектировать микропроцессорную систему на базе процессора Intel 8080.

Задачи:

• проанализировать  литературу по данной теме,
• проанализировать историю развития и перспективы на будущее
• описать структура процессора;
• описать структуру многоядерной архитектуры;
• рассмотреть особенности реализации многоядерной архитектуры;
• изучить преимущества и недостатки многоядерных процессоров.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

3

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Глава 1. Многоядерность центрального процессора.

1.1. История развития центрального процессора.

История развития центральных процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных компьютеров, то становится очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов при создании транзисторов.

Выход нашли в использовании нескольких ядер в одном кристалле, такой процессор «2 в 1». Их появление на рынке десктопов вызвало большие споры. Нужны ли нам многоядерные процессоры? Сейчас уже можно ответить с уверенностью: нужны. В ближайшие годы просто невозможно представить прогрессивного пути развития этой отрасли без использования нескольких ядер.

Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно.

Выход из данной ситуации очевиден – разработка нового поколения программного обеспечения, способного задействовать несколько ядер одновременно. Этот процесс можно назвать распараллеливанием процессов. На деле всё оказалось довольно сложно.

Некоторые задачи довольно легко распараллелить. К ним, например, относится кодирование аудио и видео. В его основе лежит набор однотипных потоков, так что заставить их выполняться одновременно – довольно простая задача.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

4

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Увеличение числа ядер вдвое зачастую не ведёт к двойному повышению стоимости. Хотя это вполне логично: производительность в среднем возрастает тоже далеко не в два раза.

Делая маленький итог, стоит отметить, что сколько бы ни был тернист путь к многоядерности, альтернативы ему в обозримом будущем попросту нет. Нам, как обычным потребителям, остаётся только своевременно усовершенствовать свой компьютер, из раза в раз увеличивая число встроенных процессорных ядер, выводя тем самым общую производительность на новый уровень.

1.2. Структура  процессора.

Процессор, центральное устройство вычислительной машины, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины. На рисунке 1 представлена структура процессора (см. Приложение А).

В центре современного центрального микропроцессора находится ядро – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура. Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package) по

технологии «флип-чип» (flip-chip, flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps). Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

5

Лист

№ документа

Подпись

Дата

1.3. Структура многоядерных процессоров.

Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 г. Корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил $300.

Требования к вычислительной мощности центрального микропроцессора постоянно росли и продолжают расти. Но если раньше производителям процессоров приходилось постоянно подстраиваться под текущие насущные запросы пользователей персонального компьютера, то теперь чипмейкеры идут с большим опережением.

Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле.

Однако дальнейшее повышение тактовой частоты упирается в ряд фундаментальных физических барьеров:

•Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением тактовой частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и увеличению выброса тепла;

•Во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам;

•В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого «фон-неймановского узкого места» – ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты. 

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

6

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Применение многопроцессорных систем также не получило широкого распространения, так как требует сложных и дорогостоящих многопроцессорных материнских плат. Поэтому было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности, зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд.

 Так в компании Intel родилась Hyper-Threading Technology (HTT) – технология  сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору  выполнять в одноядерном процессоре  параллельно до четырех программных потоков одновременно. Hyper-threading значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видео-редактированием, 3D-моделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме.

Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических, поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного).

Hyper-threading фактически стала  трамплином к созданию процессоров  с двумя физическими ядрами  на одном кристалле. В 2-ядерном  чипе параллельно работают два ядра, которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность, поскольку параллельно выполняются два независимых потока инструкций.

Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP – thread-level parallelism). Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации.

1.4.  Основные  проблемы создания многоядерных  процессоров.

Перечислим основные проблемы создания многоядерных процессоров:

•Каждое ядро процессора должно быть независимым, – с независимым энергопотреблением и управляемой мощностью;

•Рынок программного обеспечения должен быть обеспечен программами,

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

7

Лист

№ документа

Подпись

Дата

способными эффективно разбивать алгоритм ветвления команд на четное (для процессоров с нечетным количеством ядер) количество потоков.

1.5.  Преимущества  многоядерных процессоров.

Рассмотри преимущества многоядерных процессоров:

•Возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;

•Увеличение скорости работы программ;

•Процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;

•Более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений;

•Снижение энергопотребления;

•Работа пользователя ПК становится более комфортной.

1.6. Недостатки  многоядерных процессоров.

Возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров заставляет чипмейкеров увеличивать их стоимость, а это отчасти сдерживает спрос. Так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов. Возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания. Требуется более мощная система охлаждения. Количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно. Операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд.

Следует признать, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Кроме того, на практике n-ядерные процессоры не производят вычисления в n раз быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он во многом зависит от типа приложения.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

8

Лист

№ документа

Подпись

Дата

У программ, которые не рассчитаны на работу с многоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5%. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы работают быстрее уже на 50%.

Лидеры процессоростроения, компании Intel и AMD, считают, что будущее за параллельными вычислениями и продолжают последовательно наращивать количество ядер в процессорах.

Появление многоядерных процессоров стимулирует появление операционных систем и прикладного программного обеспечения, поддерживающего многоядерность.

По сообщению пресс-службы AMD, на сегодня рынок 4-ядерных процессоров составляет не более 2% от общего объема. Очевидно, что для современного покупателя приобретение 4-ядерного процессора для домашних нужд пока почти не имеет смысла по многим причинам. Во-первых, на сегодня практически нет программ, способных эффективно использовать преимущества 4-х одновременно работающих потоков; во-вторых, производители ПК позиционируют 4-ядерные процессоры, как Hi-End-решения, добавляя к оснастке ПК самые современные видеокарты и объемные жесткие диски, – а это в конечном счете еще больше увеличивает стоимость и без того недешевых ПК

 Разработчики Intel говорят: «…в процессе развития количество  ядер будет становиться всё  больше и больше…».

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

9

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Глава 2. Проектирование микропроцессорной системы на базе процессора Intel 8080.

2.1. Описание  Intel 8080

Intel 8080 — 8-битный микропроцессор, выпущенный компанией Intel в апреле 1974 года. Представляет собой усовершенствованную версию процессора Intel 8008. По заверениям Intel, этот процессор обеспечивал десятикратный прирост производительности по сравнению с микропроцессором Intel 8008.

Новый процессор выпускался по новейшей тогда 6-микронной NMOS технологии, что позволило разместить на кристалле 6000транзисторов. Процессор, хотя и был построен на архитектуре Intel 8008, но имел множество отличий от своего предшественника, благодаря которым и получил большую популярность. В новом процессоре по сравнению с предшественником была очень развита система команд: 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода (с прямой адресацией), 5 команд управления. В микропроцессоре Intel 8080 не было команд умножения и деления, и обычно их реализовывали с помощью подпрограмм, хотя Intel предлагала и внешний сопроцессор. Благодаря 16-разрядной адресной шине процессор позволял производить адресацию 64 Кбайт памяти, которая не разделялась на память команд и данных. Хотя процессор и был 8-разрядным и содержал семь 8-битных регистров (A, B, C, D, E, H, L), он имел ограниченные возможности обработки 16-разрядных чисел, для чего регистры объединялись в пары BC, DE, HL. В новом процессоре использовался стек во внешней памяти (в Intel 8008 он был внутренним).

Существует небольшая путаница в обозначениях именно этого процессора. Первоначальный вариант i8080 имел 48-выводный планарный корпус с шагом выводов 1/20 дюйма, максимальную тактовую частоту 2 МГц и одну довольно серьёзную ошибку, которая теоретически могла привести процессор в состояние, из которого он выводился только сигналом reset. Улучшенный вариант 8080А,

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

10

Лист

№ документа

Подпись

Дата

выпущенный через полгода, имел корпус DIP-40 с шагом выводов 1/10 дюйма, максимальную тактовую частоту 2,5 МГц и эта ошибка в нём была исправлена.

Большинство авторов, используя обозначение 8080, имеют в виду в действительности 8080А.

На базе микропроцессора Intel 8080 фирмой MITS был выпущен «первый в мире миникомпьютерный комплект, который может соперничать с промышленными образцами» (персональный компьютер) Altair-8800, который пользовался невероятно большой по тем временам популярностью (MITS не успевала даже вовремя обрабатывать заказы).

Помимо Altair-8800, микропроцессор Intel 8080 также применялся в устройствах управления уличным освещением и светофорами, а также в другом оборудовании.

2.2.  Разработка  структурной схемы микропроцессорной  системы

Структурная схема системы представлена на рисунке 2 (см. Приложение В).

Микропроцессорная система (МПС) состоит из следующих блоков: генератора (Г), микропроцессора (МП), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), параллельного программируемого интерфейса (ППИ), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) программируемого таймера (ПТ), программируемого контроллера прерываний (ПКП).

Генератор (Г) служит для формирования сигналов сброса системы и синхронизации.

МП формирует шину адреса (ША) и шину данных (ШД).

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных.

ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ППИ предназначено для подключения внешних устройств и дискретных датчиков.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

11

Лист

№ документа

Подпись

Дата

ЦАП предназначен для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал.

ПТ предназначен для отсчета определенного интервала времени.

ПКП предназначен для обработки прерываний.

2.3. Разработка  принципиальной схемы микропроцессорной  системы

Принципиальная схема микропроцессорной системы представлена в приложении С (рис. 3).

Центральным компонентом микропроцессорной системы является микропроцессор DD2 КР580ВМ80А.

Генератор DD1 служит для синхронизации микропроцессорной системы. Для формирования сигнала синхронизации к его входам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор.

Для реализации автоматического сброса по включению питания поставлена дифференцирующая цепочка C1-R2, выход которой подключен к входу RESIN генератора DD1. Вход цепочки подключен к напряжению питания Ucc. При включении питания на выходе дифференцирующей цепи появляется короткая логическая единица.

Для повышения нагрузочной способности адресных лини используются микросхемы шинных формирователей DD3 и DD4. Так как управлять направлением передачи нет необходимости (микропроцессор только выдает сигнал на адресные линии), то на вход управления направлением передачи T подается уровень логической единицы. Чтобы разрешить выдачу адреса постоянно, на вход подается уровень логического нуля.

Для буферирования шины данных используется системный контроллер DD6, который осуществляет автоматический контроль направления передачи данных. Это же устройство генерирует в нужные моменты времени сигналы управления (чтение из памяти) и (запись в память). Эти сигналы являются взаимно исключающими, а их активное состояние соответствует уровню логического 0. Таким образом, никакие два из них не могут быть одновременно в состоянии 0.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

12

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разделение адресного пространства представлено на рисунке 4 (см. Приложение Е).

Соответствующая комбинация сигналов на А13-А15 сформирует при помощи дешифратора DD7 нулевой сигнал на входе той или иной микросхемы. Таким образом, осуществляется выбор необходимой микросхемы. На рисунке 5 (см. Приложение Е) представлены варианты комбинаций.

На входы контроллера прерываний DD9 поступает запрос на прерывание от таймера. В результате прерывания система должна останавливаться. Для этого в подпрограмму обслуживания прерываний включена команда HLT (команда останова).

Выбор порта или регистра управляющего слова ППИ осуществляется через линии A4, A5 системной шины адреса.

Для формирования аналогового управления выбрана схема цифро-аналогового преобразователя К572ПА1. Микросхема преобразует код в ток на аналоговом выходе. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ЦАП подключается внешний источник опорного напряжения Uref и операционный усилитель 1407УД1 с целью создания отрицательной обратной связи, работающей в режиме суммирования токов.

Для организации отсчета интервала времени 20 часов используется последовательное соединение трех счетчиков. Первые два работают в режиме деления частоты, а третий в режиме одновибратора. На вход первого счетчика подается сигнал синхронизации CLK генератора DD1. Сигнал с выхода третьего счетчика END подается на вход запроса на прерывание IR0 ПКП DD9.

2.4. Разработка  блок-схемы алгоритма работы программы

Блок схема управляющей программы приведена на рисунке 6 (см. Приложение D).

Блок обработки содержит операцию условного перехода, с помощью которой осуществляется проверка того, является ли новая запись большей, чем та, которая до этого считалась максимальной. Если это так, то прежнее максимальное значение

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

13

Лист

№ документа

Подпись

Дата

заменяется новым. Вначале предполагается, что максимальным является первый элемент массива. Программа уменьшает содержимое счетчика на единицу, поскольку в дальнейшем анализировать первый элемент массива не нужно.

Система программного управления работает по программе, заложенной в ПЗУ. Программа отвечает за последовательное выполнение определенных действий, необходимых для корректного функционирования системы.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

14

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Заключение

В этой курсовой работе рассмотрена структура многоядерных вычислительных комплексов, их преимущества и недостатки и особенности их проектирования.

Для эффективного использования многоядерных систем необходимо распараллеливать процессы, а значить на рынке должны присутствовать приложения поддерживающие многопоточность. Для достижения высокой производительности очень важно, что бы многопоточность поддерживалась в уровне операционной системы.

Также при проектировании многоядерных вычислительных комплексов важно помнить, что многоядерные процессоры выделяют много тепла и нуждаются в более мощном охлаждении.

Одной из проблем является лицензирование продуктов из-за цены, но на сегодняшний день это уже не вызывает столько опасений.

Еще одной рассмотренной проблемой является переход с одноядерных систем на многоядерные. Цель курсового проекта достигнута.

Подводя итоги, хочется подчеркнуть, что многоядерные процессоры плотно вошли в нашу жизнь и в дальнейшем будут развиваться.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

15

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Список литературы

1. Апокин И.А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин. - М.: Наука, 1974.
2. Богданович М.И., Грель И.Н., С.А. Дубина. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник. - Мн.: Беларусь, Полымя, 1996. - 605 с.
3. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем. М.: Мир, 1983. - 344 с.
4. Казаринов Ю.М. Применение микропроцессоров и микро ЭВМ в радиотехнических системах, М.: «Высшая школа», 1988 г.
5. Михайлов С.А. Курсовое проектирование по дисциплине «Основы цифровой схемотехники» - Одесса, ОГМА 1993г.
6. Семенов С.П., Горелейченко Л.В, Богачев Э.Ю. Судовые электроизмерительные приборы и информационные системы М: тр-т, 1982-239с.
7. Токхайм Р. Микропроцессоры: Курс и упражнения/Пер. с англ., под ред. В.Н. Грасевича. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 336 с.: ил.
8. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000. - 528 с.: ил.
9. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоиздат, 1990. - 320 с.: ил.
10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы, М.: «Радио и связь», 1987 г.
11. Якубовский С.В. Справочник: Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы, М.: «Радио и связь», 1989 г.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

16

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Приложение А

Рисунок 1. Схема процессора.

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

17

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Приложение В

Рисунок 2. Структурная схема микропроцессорной системы

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

18

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Приложение С

Рисунок 3. Текст программы

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

19

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Приложение Е

Рисунок 4. Распределение адресного пространства

Рисунок 5. Варианты комбинаций адресных линий

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

20

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Приложение D

Рисунок 6. Блок-схема подпрограммы опроса датчиков

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

21

Лист

№ документа

Подпись

Дата

ГАОУ СПО СО «НТГПК им. Н. А. Демидова»

Лист

3

Лист

№ документа

Подпись

Дата