Bitové krájení - Bit slicing

Tento článek je o technice konstrukce procesoru . Bitové krájení jako oddělení bitové roviny používané v počítačové grafice a zpracování obrazu najdete v bitové rovině .
Bitové šířky počítačové architektury
Bit
aplikace
Binární přesnost s plovoucí desetinnou čárkou
Desetinná přesnost s plovoucí desetinnou čárkou

Bit slicing je technika pro konstrukci procesoru z modulů procesorů s menší bitovou šířkou za účelem zvýšení délky slova; teoreticky vytvořit libovolný n-bitový procesor. Každý z těchto komponentních modulů zpracovává jedno bitové pole nebo „řez“ operandu . Seskupené komponenty pro zpracování by pak měly schopnost zpracovat zvolenou plnou délku slova konkrétního softwarového návrhu.

Bitové krájení víceméně vymřelo v důsledku příchodu mikroprocesoru . V poslední době se používá v ALU pro kvantové počítače a používá se jako softwarová technika (např. V procesorech x86 , pro kryptografii ).

Provozní detaily

Procesory bit řezy obvykle zahrnují aritmetickou logickou jednotku (ALU), z 1 , 2 , 4 , 8 nebo 16  bitů a řídicí vedení (včetně převodů nebo přepadové signály, které jsou vnitřní procesoru v jiné než bitsliced CPU návrhů).

Například dva 4bitové ALU čipy by mohly být uspořádány vedle sebe s řídícími liniemi mezi nimi, aby vytvořily 8bitovou ALU (výsledek nemusí být mocnina dvou, např. Tři 1bitové mohou vytvořit 3bitové ALU , tedy 3bitový (nebo nbitový) procesor, zatímco 3bitový nebo jakýkoli procesor s vyšším lichým počtem bitů nebyl vyroben a prodán v objemu). K vytvoření 16bitové ALU by mohly být použity čtyři 4bitové ALU čipy. Vytvoření 32bitového slova ALU by zabralo osm čipů. Designér mohl přidat tolik řezů, kolik je potřeba pro manipulaci s delšími délkami slov.

Microsequencer nebo kontrolní ROM by byly použity k provedení logiky poskytování dat a řídících signálů pro regulaci funkce Alus složky.

Známé mikroprocesory bit-slice:

  • 4bitový řez:
    • Národní řada IMP, sestávající především z IMP-00A/520 RALU (také známá jako MM5750) a různých maskovaných ROM mikrokódů a řídicích čipů (CROM, také známý jako MM5751)
      • National GPC / P / IMP-4 (1973), druhý zdroj od Rockwell
      • National IMP-8 , 8bitový procesor založený na čipové sadě IMP, využívající dva čipy RALU a jeden čip CROM
      • National IMP-16 , 16bitový procesor založený na čipové sadě IMP, např. Čtyři čipy RALU s jedním čipem IMP16A/521D a IMP16A/522D CROM (další volitelné čipy CROM by mohly poskytnout doplnění instrukční sady)
    • Rodina AMD Am2900 (1975), např. AM2901, AM2901A, AM2903
    • Monolithic Memories 5700/6700 rodina (1974) např. MMI 5701 / MMI 6701, druhý zdroj od ITT Semiconductors
    • Texas Instruments SBP0400 (1975) a SBP0401, kaskádově až 16 bitů
    • Texas Instruments SN74181 (1970)
    • Texas Instruments SN74S281 s SN74S282
    • Texas Instruments SN74S481 s SN74S482 (1976)
    • Fairchild 33705
    • Fairchild 9400 (MACROLOGIC), 4700
    • Rodina Motorola M10800 (1979), např. MC10800
    • Raytheon RP-16, 16bitový procesor skládající se ze sedmi integrovaných obvodů, využívající čtyři čipy RALU a tři čipy CROM.

Historická nutnost

Bitové krájení, i když se tomu v té době neříkalo, bylo také používáno v počítačích před rozsáhlými integrovanými obvody (LSI, předchůdce dnešního VLSI , nebo velmi rozsáhlé integrační obvody). První stroj na krájení bitů byl EDSAC 2 , postavený na matematické laboratoři University of Cambridge v letech 1956–1958.

Před polovinou sedmdesátých a koncem osmdesátých let se vedla debata o tom, jak velká šířka sběrnice byla v daném počítačovém systému nezbytná, aby fungovala. Technologie a součástky ze silikonových čipů byly mnohem dražší než dnes. Použití více, jednodušších a tudíž levnějších ALU bylo považováno za způsob, jak nákladově efektivně zvýšit výpočetní výkon. Zatímco v té době se diskutovalo o 32bitových mikroprocesorech architektury, ve výrobě se jich vyrábělo jen málo.

Tyto UNIVAC 1100 mainframy řady (jeden z nejstarších série, pocházející z roku 1950) má 36-bitovou architekturu a 1100/60 zavedena v roce 1979 použit devět Motorola MC10800 4-bitové ALU čipy realizovat potřebnou šířku slovo při používání moderní integrovaný obvody.

V té době byly 16bitové procesory běžné, ale drahé, a 8bitové procesory, jako například Z80 , byly široce používány na rodícím se trhu domácích počítačů.

Kombinace komponent k výrobě produktů bit-slice umožnila technikům a studentům vytvářet výkonnější a složitější počítače za rozumnější cenu s využitím běžných komponent, které lze konfigurovat na míru. Složitost vytváření nové počítačové architektury byla výrazně snížena, když již byly specifikovány (a odladěny ) detaily ALU .

Hlavní výhodou bylo, že bitové krájení ekonomicky umožnilo v menších procesorech používat bipolární tranzistory , které se přepínají mnohem rychleji než tranzistory NMOS nebo CMOS . To umožnilo mnohem vyšší taktovací frekvence tam, kde byla potřeba rychlost; například funkce DSP nebo transformace matice , nebo jako v Xerox Alto , kombinace flexibility a rychlosti, než to mohly zajistit diskrétní CPU.

Moderní použití

Používání softwaru na hardwaru bez bitových řezů

V novější době termín bitové krájení znovu vytvořil Matthew Kwan, aby odkazoval na techniku ​​používání CPU obecného účelu k implementaci více paralelních jednoduchých virtuálních strojů pomocí obecných logických instrukcí k provádění operací SIMD ( Single Instruction Multiple Data ). Tato technika je také známá jako SIMD Within A Register (SWAR).

To bylo původně v odkazu na dokument Eli Biham z roku 1997 Rychlá nová implementace DES v softwaru , který pomocí této metody dosáhl významného nárůstu výkonu DES .

Bitově krájené kvantové počítače

Pro zjednodušení struktury obvodů a snížení hardwarových nákladů kvantových počítačů (navrženo ke spuštění instrukční sady MIPS32 ) 50GHz supravodivá „4bitová aritmetická logická jednotka s bitovými segmenty (ALU) pro 32bitové rychlé jednoprocesové kvantové mikroprocesory byl předveden. "

Viz také

Reference

externí odkazy