Yksittäinen yksinkertainen suoritin voi suorittaa kerrallaan vain yhtä ohjelmaa, mutta sen tehtäviä voidaan vaihdella erittäin nopeasti, jolloin suoritus näyttää käyttäjästä rinnakkaiselta (ks.Moniajo). Monisäikeistetyssä suorittimessa voidaan suorittaa aidosti yhtä aikaa useampaa kuin yhtä tehtävää, samoinmoniydinsuorittimessa on samaan mikropiiriin rakennettu kaksi tai useampia suorittimia.
Suorittimia suunnitellaan useisiin erilaisiin käyttötarkoituksiin. Suorittimia valmistetaan erilaisiinsupertietokoneisiin,sulautettuihin järjestelmiin jahenkilökohtaisiin tietokoneisiin. Erikoistuneitaapusuorittimia ovatdigitaalinen signaaliprosessori (DSP),grafiikkaprosessori (GPU) jamatematiikkasuoritin (FPU), joka nykyään usein integroidaan yleiskäyttöiseen suorittimiin. Osa optimoidaan erittäin pieneen tehonkulutukseen, osa suureen laskentatehoon tietynlaiselle datalle, osa taas mahdollisimman laajaan yleiskäyttöisyyteen, jolloin sama mikropiiri saattaa sisältää useita eri oheislaitteita ja kymmeniä liityntäväyliä.Mikrokontrollerit (MCU) sisältävät samoja peruselementtejä kuin mikroprosessorit (MPU) vähemmän vaativiin tarkoituksiin: mikrokontrollerit voivat olla karsittuja jotta ne mahtuvat yhdelle mikropiirille. Näytöllistenälylaitteiden myötä tärkeäksi ryhmäksi ovat nousseet pitkälle integroidut ns.järjestelmäpiirit (SoC), joissa voi olla samassa piirissä mukana mm. muisteja, signaaliprosessori ja monipuolinen näytönohjain.
Suoritinteknologian neljä sukupolvea: elektroniputket, diskreetit transistorit, mikropiirit ja mikroprosessorit.
Ensimmäinen yleiskäyttöinen tietokone, jossaohjelma voitiin tallettaa tietokoneenmuistiin ja vaihtaa ilman fyysisiä muutoksia (tallennetun ohjelman tietokone), oliManchesterin yliopistonSmall-Scale Experimental Machine.[1] Koska suoritettava ohjelma voitiin vaihtaa lataamalla toinen ohjelma eikä käyttötarkoitusta siten rajattu tätä voitaneen pitää tietokonesuorittimien alkuna vastakohtana laskukoneelle. Aikaisemmissa laitteissa ohjelman muuttaminen saattoi tarkoittaa laitteen kytkentöjen muuttamista ohjelman lataamisen sijaan (ks.ENIAC).
Kuten tietokonetekniikka yleisesti voidaan suorittimet jakaa neljään sukupolveen teknologian mukaan:[2]
Kvanttitietokoneen toteutus voi olla merkittävä seuraava kehitysaskel teknologiassa. Myösoptinen siru voi olla tuleva kehitysaskel.
Tekoälyyn jakoneoppimiseen suunnattujen suorittimien kehitys on synnyttänyt useita uusia yrityksiä lyhyessä ajassa sekä useat olemassa olevat yritykset ovat aloittaneet omien ratkaisujensa kehittämisen.[3] Syynä uudelle kehitykselle mainitaan olemassa olevien vakiintuneiden yleiskäyttöisien arkkitehtuurien tarpeeton monimutkaisuus erikoistuneeseen tehtävään.[3]
Mikrokontrollereita kutenMCS-48, jotka integroivatmuistin suorittimeen on myös kutsuttu viidenneksi sukupolveksi johtuen integraatiokehityksestä.[4]
RISC-arkkitehtuuria esiteltiin vastauksena monimutkaistuville suorittimille (eronaCISC-arkkitehtuurille), jonka sanottiin olevan entistä tärkeämpää VLSI-tekniikan myötä.[5] Sekä CISC- että RISC-arkkitehtuureilla on etunsa että haittansa.[6]
Load-store käskykanta (kutenARM jaMIPS) käyttää erillisiä käskyjä muistin käsittelyyn kun taasregister-memory -arkkitehtuurissa se voi olla osana muuta käskyä.[8]
Arkkitehtuuri kuvailee suorittimen ohjelmoinnin näkökulmasta kun taas mikroarkkitehtuuri liittää arkkitehtuurin ja logiikkatason.[9] Tietty arkkitehtuuri voidaan toteuttaa eri tavoin mikroarkkitehtuurin tasolla.[9]
Tietokoneen yleisnopeus riippuu paljon juuri suorittimen nopeudesta.[10] Suorittimen nopeus riippuu sekä sen käyttämästä arkkitehtuurista ettäkellotaajuudesta. Kellotaajuus ilmoitetaan yleensäHertsin monikertoina kuten megahertseinä (MHz) tai gigahertseinä (GHz), ja suoritin toimii sen tahdissa. Pelkän kellotaajuuden lisäksi suorittimen nopeuteen vaikuttavat monet tekniset ratkaisut, kuten:
kuinka leveitä prosessorin lukuja käsittelevät yksiköt ja liityntäväylät ovat (yleensä 4, 8, 16, 32 tai 64bittiä),
kuinka monta ja minkä tyyppisiä käskyjä suoritin kykenee suorittamaan samanaikaisesti (käskykannan liukuhihna),
miten tehokkaasti edelliset on toteutettu ja niihin liittyvät ongelmatilanteet on arkkitehtuurissa ratkaistu.
Eräitä 2-bittisiäbit-slice -suorittimia (BSP) on myös valmistettu.[11] BSP-suorittimia pystyi kytkemään rinnakkain muodostamaan ”suuremman” suorittimen.[11]
Suorittimen keskeiset osat ovataritmeettis-looginen yksikkö (engl.Arithmetic Logical Unit,ALU)[10], valvontayksikkö (engl.Control Unit,CU)[10] ja yleensä useitarekistereiksi kutsuttuja käsiteltävän tiedon tallentavia muistipaikkoja.[10] Prosessorin toimintaa on noutaa muistista käsky ja siihen liittyvä luku tai luvut, suorittaa kyseinen käsky ALU-yksikössään ja palauttaa tulos muistiin. Yksittäinen käsky voi olla esim. ”laske yhteen rekisterin A ja muistipaikan XX sisältö ja siirrä tulos rekisteriin B”.
Yksinkertaistetusti suorittimen toiminta on hakea muistista käskyjä, tehdä niillä jokin operaatio ja kirjoittaa tulos muistiin (myös muut laitteet ja väylät voivat näkyä muistipaikkoina suorittimelle).[10][12] Toiminta voidaan jakaa neljään vaiheeseen seuraavasti:[12]
muistihaku (fetch)
käskynpurku (decode)
suoritus (execute)
tallennus (store)
Ohjelmalaskuri (engl.program counter,engl.instruction pointer) pitää suorituksen sijaintitietoa.[10] Eräissä suoritinarkkitehtuureissa kutenMIPS käskyt ovat kiinteämittaisia 32-bittisiä arvoja. Toisissa arkkitehtuureissa kutenx86 käskyn pituus vaihtelee.[13]
Muita keskeisiä toimintoja ovat muun muassapino-osoitin (engl.stack pointer): eräissä suorittimissa on omat käskyt pinon käsittelyyn kun taas eräissä se on ohjelman vastuulla.[14]
Suorittimet voivat vaatia tietotyyppien olevan tasattuja tyypin koon mukaan muistiosoitteisiin (engl.data alignment): mikäli näin ei ole suoritin voi toimia hitaammin, tuottaa vääriä tuloksia tai jumiuttaa tai kaataa järjestelmän.[15][16]Prosessori voi vaatia, että 32-bittisen luvun hakeminen alkaa osoitteesta, joka on jaollinen neljällä tai se antaa virheen.[17]
Prosessorin erikoiskäskyistä voi olla suurta hyötyä etenkin matemaattisissa sovelluksissa. Yksi erikoiskäsky voi korvata kymmeniä peruskäskyjä, vaikka sen suoritukseen aikaa kuluu vain saman verran kuin yhden tai muutaman peruskäskyn suoritukseen.
Välimuistin hyöty on, että muistista haettava ja sinne kirjoitettava tieto saadaan nopeasta välimuistista huomattavasti nopeammin kuin hitaammasta keskusmuistista. Merkittäviä nopeusetuja saadaan myös kirjoittamalla tehokasta ohjelmakoodia.
Valmistustekniikan kehittyessä mikropiirien sisältämien transistorien määrä on kaksinkertaistunut säännöllisin väliajoin kuten ns.Mooren laki on ennustanut. Suorittimien kohdalla tämä on pitänyt paikkansa usean vuosikymmenen ajan, mutta kehitys on hidastunut.[18][19] Valmistusprosessin kehityksen lisäksi paremman suorituskyvyn mahdollistavia arkkitehtuureita on kehitetty.
Suorittimet tuottavat toimiessaan hukkalämpöä, joka saattaa vaikuttaa suorittimen toiminnan luotettavuuteen tai liiallisena jopa tuhota suorittimen. Hukkalämmön johtamiseksi pois suorittimesta voidaan käyttää esimerkiksi jäähdytysripaa, jota muotonsa vuoksi monesti kutsutaanjäähdytyssiiliksi, ja siihen usein liitettyä ilman virtausta tehostavaa tuuletinta, tainestejäähdytystä. Myös muita jäähdytysratkaisuja voidaan käyttää, kuten esimerkiksi nämäsupertietokoneet :
Cray-1 käytti freonipohjaista jäähdytystä (lämpöpumppu)
Cray-2 upotti piirit Fluorinert-nimiseen sähköä johtamattomaan nesteeseen (konvektio)
Käyttämällä kehittyneempää valmistustekniikkaa voidaan suorittimen virrankäyttöä vähentää ja tämän vaikutuksesta myös tuotettua hukkalämpöä voidaan vähentää. Vastaavasti transistorien määrän lisääminen nostaa tarvittavan virran määrää. Eräspuolijohteiden valmistusmenetelmä onCMOS.
Suorittimelle on mahdollista integroida samalle piirille useita suoritinytimiä, suurempia ja monitasoisempia välimuisteja, sekä tukipiirejä kuten 2D- tai 3D-grafiikan käsittelyyn erikoistunutgrafiikkasuoritin. Nykyaikaisissa suorittimissa onmuistinhallintayksikkö (MMU) jamatematiikkasuoritin (FPU) integroituna samalle piirille.Mikrokontrollerit integroivat suorittimen lisäksi samalle piirille muistia.Järjestelmäpiirit integroivat suorittimen lisäksi samalle piirille IO-piirejä ja useita muita komponentteja.
Suorittimissa voi olla kaksi tai useampia ytimiä. Moniytimellisyys mahdollistaa sen, että monia raskaita laskutehtäviä vaativia ohjelmia voidaan ajaa tietokoneella samanaikaisesti ilman, että muiden prosessien suoritus häiriintyy, ja että monisäikeisien yksittäisien prosessien suoritus voidaan jakaa usean ytimen kesken nostaen sen suoritustehoa.
Moniydinsuoritin voi useaan yksinkertaiseen suorittimeen verrattuna käyttää hieman vähemmän sähköä ja tuottaa vähemmän lämpöä.[20] Yleensä moniydinsuorittimen kaikki ytimet kuitenkin jakavat samat oheislaiteväylät ja käyttävät samaa keskusmuistia.
Monisäikeistysengl.multithreading on tekniikka, jolla sama ydin voi suorittaa kahta tai useampaa erillistä ohjelmasäiettä yhtäaikaisesti (rinnakkain). Tekniikka on yksi kehityssuunta suorituskyvyn lisäämiseen ja aiheesta on julkaistu useita tutkimuksia.[21]
Kaksi kehityssuuntausta ovat:
engl.Simultaneous multithreading (SMT), prosessorin on oltava superskalaarinen
engl.Temporal multithreading, taiengl.Interleaved multithreading, myös nimelläengl.super-threading
Symmetrinen monisäikeistys on jatkokehitystäsuperskalaari- jamoniprosessointi-tekniikkaan nähden ja hyödyntää ohjelmissa olevaa sekä käskytason rinnakkaisuutta (engl.Instruction Level Parallelism, ILP) että säietason rinnakkaisuutta (engl.Thread Level Parallelism, TLP).[23]
Muita tehokkuuden parantamiseen tähtääviä keinoja ovat muun muassa epäjärjestyksessä suorittaminen (engl.out-of-order execution) sakkaustilanteiden välttämiseksi jahaarautumisen ennakointi (engl.branch prediction).
Suorittimet voidaan jakaa perheisiin niiden yhteensopivuuden mukaan. Tyypillisesti saman perheen uudempi suoritin pystyy suorittamaan ohjelmia, jotka on tehty saman perheen aikaisimmille suorittimille. Toisinpäin tämä ei välttämättä ole mahdollista erilaistenkäskykantalaajennusten vuoksi.
Ensimmäisen sukupolven suorittimet olivat osa laajempaa kokonaisuutta ja osa itse tietokoneen rakennetta ja suunnittelua.[24]Ensimmäisen sukupolven suorittimet perustuivatelektroniputkien käyttöön.[2]
Minitietokoneissa jasuurtietokoneissa käytetyissä tietokoneissa oli huomattavia mallikohtaisia eroja. Kaikki samaan mallisarjaan kuuluneet eivät välttämättä olleet yhteensopivia muiden saman sarjan mallien kanssa. Toisen sukupolven suorittimet perustuivat diskreettien (erillisten)transistorien käyttöön (TTL-logiikka, ECL-logiikka).[2] Kolmannen sukupolven suorittimet käyttivät useitamikropiirejä.[2]
IBM S/360 mahdollisti samojen ohjelmien ajamisen erilaisissa saman arkkitehtuurin mukaisissa tietokoneissamikrokoodin avulla, tekniikka perustui SLT-transistoreihin
Neljännen sukupolven suorittimet ovatmikroprosessoreja, joissa kaikki suorittimen toiminnot ovat integroituna yhdelle mikropiirille.[2] MOS- jaCMOS-tekniikat mahdollistivat mikroprosessorit.[2]
Motorola 6800 -suoritinperhe, 8-bittinen, julkaistu 1974.
MOS TechnologynMOS 6502 ja sen kehitysversiot (julkaistu 1975). KäytettiinAtari 2600 -pelikonsolissa, Applen varhaisissa tietokoneissa ja Commodoren kuuluisissa VIC-20- ja Commodore 64 -tietokoneissa.
Zilog Z80 -suoritinperhe, 8-bittinen, julkaistu 1976.
Intelinx86-sarja, alkaen 16-bittisestä mallista 8086 (1978) jatkuenIA-32-malleihin (1985), mukaan lukien yhteensopivat muilta valmistajilta. KäytettyIBM PC -yhteensopivissa ensimmäisestä IBM PC:stä lähtien.
Suoritinperheet voidaan edelleen jakaa arkkitehtuureihin niiden iän ja sukupolven mukaan. Esimerkiksi SPARC-perheen aikaisemmat arkkitehtuurit, HyperSPARC ja SuperSPARC, toteuttavat SPARC v7 -käskykannan ja uudemmat arkkitehtuurit64-bittisen SPARC v9 -käskykannan, jonka toteuttavia malleja ovatSun Microsystemsin valmistaman UltraSPARCin eri mallit jaFujitsun SPARC64.
x86-suorittimissa on ollut useita kilpailevia valmistajia, joiden suorittimet käyttävät yhteensopivaa käskykantaa (IA-32,AMD64 tai edeltävät). Suoritinvalmistajilla on useita arkkitehtuureita, jotka jakaantuvat useisiin malleihin, joita on saatavilla eri kellotaajuuksilla.ARM-suorittimista lisensoidaan käskykantaa ja arkkitehtuuria eri valmistajille eri tavoin.
Useat valmistajat ja suoritinsukupolvet laajentavat suorittimenkäskykantaa uusilla käskyillä. Tällaisia laajennuksia ovat mm. MMX, VIS, 3DNow!,SSE ja AltiVec, joista on kaikista lisäksi useampia versioita uusien arkkitehtuurien mukana.
Useat suorittimet toteuttavatsupervisor-tilan, jossakäyttöjärjestelmän ydin yleensä suoritetaan. Tässä tilassa suoritin asettaa vähemmän rajoituksia kuin käyttäjätilassa (engl.user mode).
↑Daniel P. Siewiorek & C. Gordon Bell & Allen Newell: Computer Structures: Principles and Examples, s. 6,64. McGraw-Hill, 1982. ISBN 0-07-057302-6Teoksen verkkoversio. (englanniksi)
↑Flynn, Michael J.: ”1.3”, Computer Architecture: Pipelined and Parallel Processor Design. Jones and Bartlett Publishers, 1995.
↑Hennessy, John L. & Patterson, David A.: Computer Architecture: A Quantitative Approach, s. 11. (Fifth Edition) Morgan Kaufmann, 2012. ISBN 978-0-12-383872-8
↑abHarris, David Money & Harris, Sarah L.: Digital Design and Computer Architecture, s. 4. (Second Edition) Morgan Kaufmann, 2013. ISBN 978-0-12-394424-5
