Kompiuterių diagnostika

Temoje bus apžvelgta:

Kas yra asmeniniai kompiuteriai (AK)?

Kas yra mobilieji kompiuteriai (MK)?

AK ir MK architektūra

AK ir MK procesorių ir SoC gamintojai

AK ir MK operacinės sistemos

2

Tai labiausiai (kol kas) paplitę pasaulyje bendros paskirties kompiuteriai, dažniausiai turintys Intel x86 architektūros procesorių.

AK naudojamas (sąlyginai) galingas centrinis procesorius, didelis operatyviosios atminties kiekis, didelės talpos duomenų saugojimo laikmenos.

Bendra AK suvartojama galia gali siekti iki 1KW ar daugiau.

3

Pagal paskirtį AK būna šių rūšių: Darbo stotys (workstation): didelės skaičiavimo

galios AK

Staliniai kompiuteriai (desktop PC): dažniausiai naudojami įmonių darbo vietose ir kompiuterių entuziastų

Nešiojami kompiuteriai (laptop, notebook): labiausiai paplitusi AK rūšis, kuriai priskiriami ir ypač lengvi nešiojami AK (Intel marketinginispavadinimas Ultrabooks)

4

5

Mobilieji kompiuteriai (MK) – tai kompiuteriai, pagaminti energiją taupančių vienlusčių sistemų pagrindu.

MK skiriasi nuo nešiojamųjų asmeninių kompiuterių (AK): MK pagrindiniai komponentai integruoti SoC Naudojami SoC pritaikyti energijos taupymui

Tai lemia, jog: Galima pagaminti mažesnių išmatavimų MK, lyginant su

nešiojamais AK Tipiniai MK naudodami akumuliatorių energiją veikia

žymiai ilgiau nei nešiojamieji AK. MK – 6 ir daugiau valandų, AK – iki 10 valandų.

6

Išmanieji telefonai: Ribotas SoC vartojamos galios kiekis: iki ~1W. Jį riboja

tiek aušinimo galimybės, tiek akumuliatoriaus talpa. Sąlyginai nedidelės talpos akumuliatorius Ryšio modulis dažniausiai integruotas į SoC.

Planšetiniai kompiuteriai: SoC vartojamos galios limitas: 4W esant pasyviam

aušinimui, iki 8W esant aktyviam aušinimui. Aparatūros prasme labiau panašūs į nešiojamus AK. Didesnės talpos akumuliatorius. 3G/LTE ryšio modulis dažniausiai yra papildomai

įdiegiamas komponentas, o ne SoC dalis.

7

Vienlustė sistema (angl. System-on-Chip→ SoC), tai integrinis grandynas, kurio luste yra sutalpinti įprastai pagrindinėje plokštėje esantys komponentai. Pavyzdžiui: pagrindinis (universalus) procesorius vaizdo, garso procesoriai audio, video kodavimo aparatūra (pvz. H.264 vaizdo

kodavimo/dekodavimo spartinimui) įvairios atmintys (ROM, RAM, Flash, EEPROM) vidinės magistralės ar įrenginių komunikacijos tinklai (angl.

Network-on-Chip) išorinių sąsajų/magistralių valdikliai (USB, Ethernet, SPI, I2C ir

kt.) bevielio ryšio komponentai (WiFi, 3G, Bluetooth) GPS pozicijos nustatymo sistemos komponentas taktavimo signalo generatoriai, kita analoginė įranga kiti komponentai 8

9

Išmanieji telefonai

Planšetiniaikompiuteriai, el. knygų skaitytuvai

Mobilios žaidimų konsolės

10

SoC energijos taupymas prasideda nuo pagrindinio procesoriaus architektūros.

CISC procesorių architektūrų pavyzdžiai: Intel x86 (asmeniniai kompiuteriai) Motorola 68k (įterptinės sistemos) IBM z/Architecture (didieji kompiuteriai)

RISC (dar vadinama load-store) procesorių architektūrų pavyzdžiai: DEC Alpha ARM Atmel AVR MIPS Power (PowerPC) SPARC

11

RISC lustuose reikia mažiau tranzistorių pagrindinėms funkcijoms atlikti, tokioms kaip instrukcijų dekodavimas ir loginių bei aritmetinių operacijų vykdymas.

Tai leidžia padidinti registrų kiekį ir pridėti daugiau lygiagrečių vidinių įrenginių operacijų vykdymui.

Kitos savybės, kuriomis dažniausiai pasižymi RISC architektūros procesoriai: Uniform instruction format, using a single word with the opcode in the same

bit positions in every instruction, demanding less decoding; Identical general purpose registers, allowing any register to be used in any

context, simplifying compiler design (although normally there are separate floating point registers);

Simple addressing modes. Complex addressing performed via sequences of arithmetic and/or load-store operations;

Few data types in hardware, some CISCs have byte string instructions, or support complex numbers; this is so far unlikely to be found on a RISC.

Žinoma, tiek CISC, tiek RISC architektūrų procesoriuose būna išimčių.12

Nors ir turi privalumų, RISC procesoriai iki šiol negali konkuruoti su Intel x86 procesoriais AK ir serveriuose. Tam yra trys priežastys: Didelė dalis AK programų istoriškai pritaikytos tik x86

procesoriams. Nors RISC nesunkiai didina procesorių našumą, Intel naudojasi

dominuojančia padėtimi rinkoje ir leidžia žymiai daugiau pinigų x86 architektūros tobulinimui ir gamybos technologijų tyrimams.

Visi x86 procesorių gamintojai įdiegė instrukcijų vykdymą panaudojant RISC mikro-operacijas vykdančius branduolius (Intel Pentium, AMD K5 ir vėlesni procesoriai)

Tačiau net ir tobuliausi x86 procesoriai sunkiai varžosi su RISC architektūros procesoriais pagal energijos suvartojimo efektyvumą. Taip atsitiko todėl, kad CISC reikia daugiau aparatūros (tranzistorių) sudėtingų instrukcijų palaikymui.

13

Kokios firmos projektuotų procesorių pasaulyje pagaminta daugiausia?

14

15

Sukūrė Didžiosios Britanijos įmonė „AcornComputers“

ARM = Acorn RISC Machine Pirmas procesorius pagamintas 1985 metais. 1986 metais pasirodė pirmoji komercinė versija

ARM2, kuri turėjo konkuruoti su IBM PC kompiuteriuose naudojamais Intel procesoriais

ARM2 – 32 bitų procesorius, sudarytas iš tik ~30000 tranzistorių, veikė sparčiau nei 16 bitų Intel 80286 iš 134 000 tranzistorių.

Iki 2011 metų buvo pagaminta daugiau nei 15 milijardų įvairių ARM architektūros procesorių

16

Patys efektyviausi procesoriai: nors Intel turi geriausias gamybos technologijas ir optimizuotą x86 architektūrą, tačiau jie negali lygintis su ARM procesoriais tranzistorių skaičiumi reikalingu vienai instrukcijai įvykdyti.

Verslo modelis: bet kas gali gaminti ir tobulinti ARM procesorius, tačiau tik Intel, AMD ir VIA gali gaminti ir tobulinti x86 procesorius.

17

Intel Tobulina ir architektūrą, ir gamybos procesą

Projektuoja procesorius

Gamina procesorius savo gamyklose ARM

Tobulina tik architektūrą

Projektuoja procesorius

Licencijuoja procesorius gamybai

Licencijuoja procesorius papildomam tobulinimui

18

Intel x86 CISC (Complex Instruction Set Computing) Tikslas: didesnis našumas Energijos sąnaudos – antraeilis dalykas (nors šiuo metu

Intel jau atsižvelgia į energijos vartojimo efektyvumą) Sudėtingi, daugelio tranzistorių procesoriai

ARM RISC (Reduced Instruction Set Computing) Tikslas: optimalus spartos ir energijos vartojimo derinys Energijos sąnaudos – pirmoje vietoje Sudaryti iš nedaug tranzistorių, tačiau spartūs ir taupūs

procesoriai

19

Instrukcijų atliekamas darbas per ciklą Instrukcijų vykdymo trukmė ciklais Registrų skaičius Spartinančiosios atminties dydis Lygiagrečių aritmetinių/loginių įrenginių

skaičius (superscalar) Konvejerio ilgis Instrukcijų vykdymo ne iš eilės galimybė (Out-

of-Order Execution) Išorinės atminties sparta

20

Gamybos technologija Taktinis dažnis Lusto maitinimo įtampa Tranzistorių skaičius (architektūra tiesiogiai

įtakoja tranzistorių skaičių) Energijos taupymo funkcijos luste:

Dinaminis taktinio dažnio reguliavimas

Nenaudojamų įrenginių išjungimo galimybė (clockgating ir power gating)

Maitinimo įtampos reguliavimo galimybė

21

Tradicinės RISC savybės: Didelis universalių registrų skaičius (16 x 32 bit) Load/store architektūra Fiksuotas instrukcijų dydis: 32 bitai Paprasti adresavimo būdai: adresai nurodomi tiktai registruose

arba instrukcijose Specialios ARM savybės:

Nenaudojamas mikrokodas (instrukcijų skaidymas į mikro-operacijas)

Instrukcijose kombinuojamos postūmio ir aritmetinės arba loginės operacijos

Programos ciklų optimizavimas: automatiškai didinami/mažinami skaitikliai

Keleto instrukcijų užkrovimo galimybė Beveik visų instrukcijų sąlyginis vykdymas

22

ARM licencijuoja suprojektuotus šios paskirties procesorių branduolius: Įterptinėms sistemoms (mikrovaldikliai, smartcards,

kt.)

Industriniams prietaisams (SSD/HDD valdikliai, tinklo įrenginiai, kt.)

Vartotojų elektroniniams prietaisams (vaizdo kameros, televizoriai, blu-ray ir DVD grotuvai, kt.)

Mobiliems įrenginiams (išmanieji telefonai, kiti mobilieji kompiuteriai)

Nešiojamiems kompiuteriams, serveriams.

23

ARM projektuoja tik ARM branduolius : Cortex-A50. Didžiausio našumo 64 bitų procesorių

branduoliai: Cortex-A57, Cortex-A53. Cortex-A. Universalūs didelio našumo 32 bitų

procesorių branduoliai: Cortex-A17, Cortex-A15, Cortex-A12, Cortex-A9, Cortex-A8, Cortex-A5.

Cortex-R. Procesoriai realaus laiko sistemoms.Klaidoms atsparūs Cortex-R4, Cortex-R5 and Cortex-R7 branduoliai.

Cortex-M. Mikrovaldiklių branduoliai. Paprasti, maži, patys taupiausi: Cortex-M0 (8 bitų), Cortex-M3 (16 bitų), Cortex-M4 (32 bitų).

24

25

26

Cortex-A – patys našiausi, tačiau kartu labai taupūs energijai ARM branduoliai.

Cortex-A5: pigiausias, paprasčiausias, energijai taupiausias universalaus procesoriaus branduolys: 500-1000 Mhz

1-4 branduoliai procesoriuje

4-64KB L1 cache (konfigūruojama)

Taikymo sritys: pigūs išmanieji telefonai, mobilieji telefonai, įterptinės sistemos, elektroniniai prietaisai

27

Cortex-A8: energiją taupantis vidutinio našumo procesoriaus branduolys: 600-1000 Mhz

1 branduolys procesoriuje

64KB L1 cache

0MB-1MB L2 cache (konfigūruojama)

Taikymo sritys: išmanieji telefonai, internetiniai kompiuteriai, planšetiniai kompiuteriai, televizijos priedėliai, spausdintuvų procesoriai, kietųjų diskų procesoriai

28

Cortex-A9 patobulinta versija yra Cortex-A12. Tai energiją taupantis didelio našumo procesoriaus branduolys: Iki 2 Ghz 1-4 branduoliai procesoriuje 64-96KB L1 cache 0MB-8MB L2 cache (konfigūruojama)

Taikymo sritys: išmanieji telefonai, internetiniai kompiuteriai, planšetiniai kompiuteriai, televizijos priedėliai, tinklo infrastruktūros įrenginiai, kietųjų diskų procesoriai, kiti nemažo procesoriaus našumo reikalaujantys elektronikos prietaisai

29

Cortex-A15 patobulinta versija yra Cortex-A17. Šiuo metu našiausias ARM branduolys Cortex-A serijoje. 1-2.5Ghz 1-4 branduoliai procesoriuje 64-96KB L1 cache 0MB - 4MB L2 cache (konfigūruojama) LPAE – iki 1TB RAM palaikymas

Taikymo sritys: galingi išmanieji telefonai, kiti mobilūs kompiuteriai, high-end home entertainement, bevielių tinklų infrastruktūros įrenginiai, energiją taupantys serveriai, Microsoft Windows RT naudojantys įrenginiai.

30

Cortex-A57 šiuo metu našiausias ARM branduolys 1-2.8 Ghz 1-4 branduoliai procesoriuje ARMv8 64 bitų architektūra 80KB L1 cache Konfigūruojama L2 cache

Taikymo sritys: galingi išmanieji telefonai, mobilūs kompiuteriai, nešiojami kompiuteriai, energiją taupantys serveriai.

Vienas iš pirmųjų komercinių panaudojimų: Samsung Exynos 7 SoC telefonuose Galaxy S6.

31

Šias skaidres ir kitą paskaitos medžiagą galima rasti adresu: http://masalskis.net/

32