Битовая нарезка - Bit slicing

Эта статья о процессор строительная техника. Для битовой нарезки как разделение битовой плоскости используется в компьютерной графике и обработке изображений, см. битплан.
Разрядность архитектуры компьютера
Кусочек
Заявление
Двоичная с плавающей точкой точность
Десятичное число с плавающей точкой точность

Битовая нарезка это техника для построения процессор от модулей процессоров меньшей разрядности, с целью увеличения разрядности; по идее сделать произвольный n-битный CPU. Каждый из этих компонентных модулей обрабатывает один битовое поле или "кусочек" операнд. Сгруппированные компоненты обработки тогда будут иметь возможность обрабатывать выбранные полные длина слова конкретного программного обеспечения.

Нарезка битов более или менее вымерла из-за появления микропроцессор. Недавно он использовался в ALU для квантовые компьютеры, и использовался как программный метод (например, в x86 ЦП, для криптография.[1])

Подробности работы

Процессоры битовых срезов обычно включают арифметико-логическое устройство (ALU) из 1, 2, 4, 8 или же 16 биты и линии управления (включая нести или же переполнение сигналы, которые являются внутренними по отношению к процессору в небитовых ЦПУ конструкции).

Например, две 4-битные микросхемы ALU могут быть расположены рядом, с линиями управления между ними, чтобы сформировать 8-битный ALU (результат не обязательно должен быть степенью двойки, например, три 1-битных могут образовать 3-битный ALU. ,[2] таким образом, 3-битный (или n-битный) ЦП, в то время как 3-битный, или любой ЦП с более высоким нечетным числом битов не производился и не продавался в больших количествах). Четыре 4-битных чипа ALU можно использовать для создания 16-битного ALU. Для построения 32-битного слова ALU потребуется восемь микросхем. Дизайнер может добавить столько фрагментов, сколько потребуется, чтобы управлять большей длиной слова.

А микросеквенсор или же ПЗУ управления будет использоваться для выполнения логики для предоставления данных и сигналов управления для регулирования функции компонентных ALU.

Известные побитовые микропроцессоры:

  • 4-битный срез:
    • Национальный Семейство IMP, состоящее в основном из IMP-00A / 520 RALU (также известного как MM5750) и различных микрокодов ROM с масками и управляющих микросхем (CROM, также известных как MM5751)
      • Национальный GPC / P / ИМП-4 (1973),[5] второй источник Rockwell
      • Национальный ИМП-8, 8-битный процессор на базе набора микросхем IMP, использующий два чипа RALU и один чип CROM
      • Национальный ИМП-16, 16-битный процессор на базе набора микросхем IMP, например четыре микросхемы RALU, по одной микросхеме CROM IMP16A / 521D и IMP16A / 522D (дополнительные дополнительные микросхемы CROM могут обеспечивать дополнительный набор команд)
    • AMD Am2900 семья (1975), например AM2901, AM2901A,[6] AM2903[6]
    • Монолитные воспоминания Семейство 5700/6700 (1974)[7][8][9][10] например MMI 5701 / MMI 6701, второй источник ITT Semiconductors
    • Техасские инструменты SBP0400 (1975) и SBP0401, каскадирование до 16 бит
    • Техасские инструменты SN74181 (1970)
    • Инструменты Техаса SN74S281 с SN74S282
    • Инструменты Техаса SN74S481 с SN74S482 (1976)[11]
    • Fairchild 33705[6]
    • Fairchild 9400 (МАКРОЛОГИЧЕСКИЕ), 4700
    • Motorola Семейство M10800 (1979 г.),[12] например MC10800[6]

Историческая необходимость

Битовая нарезка, хотя в то время это не называлось, также использовалась в компьютерах раньше. крупномасштабные интегральные схемы (LSI, предшественник сегодняшнего СБИС, или очень крупномасштабные интегральные схемы). Первая машина с битовой нарезкой была EDSAC 2, построенный на Математическая лаборатория Кембриджского университета в 1956–1958 гг.[нужна цитата ]

До середины 1970-х и конца 1980-х годов велись споры о том, какая ширина шины необходима в данной компьютерной системе, чтобы она работала. Технология и детали кремниевых чипов были намного дороже, чем сегодня. Было замечено использование нескольких, более простых и, следовательно, менее дорогих ALU.[кем? ] как способ рентабельного увеличения вычислительной мощности. Пока 32-битный микропроцессоры архитектуры обсуждались в то время,[кем? ] мало кто из них был в производстве.[нужна цитата ]

В UNIVAC 1100 мэйнфреймы серии (одна из старейших серий 1950-х годов) имеют 36-битный архитектура и 1100/60, представленный в 1979 году, использовали девять Motorola MC10800 4-битный ALU[12] микросхемы для реализации необходимой ширины слова при использовании современных интегральных схем.[13]

В то время 16-битные процессоры были распространены, но дороги, а 8-битные процессоры, такие как Z80, широко использовались на зарождающемся рынке домашних компьютеров.

Комбинирование компонентов для производства продуктов срезов битов позволило инженерам и студентам создавать более мощные и сложные компьютеры по более разумной цене, используя готовые компоненты, которые можно было настроить на заказ. Сложности создания новой компьютерной архитектуры были значительно уменьшены, когда детали ALU были уже определены (и отлаженный ).

Основным преимуществом было то, что нарезка битов позволяла экономично использовать в небольших процессорах биполярные транзисторы,[нужна цитата ] которые переключаются намного быстрее, чем NMOS или же CMOS транзисторы.[нужна цитата ] Это позволяло значительно повысить тактовую частоту там, где требовалась скорость; Например DSP функции или преобразование матрицы, или как в Xerox Alto, сочетание гибкости и скорости, прежде чем дискретные процессоры смогли это обеспечить.

Современное использование

Использование программного обеспечения на аппаратном обеспечении без битовых срезов

В более позднее время термин «битовая нарезка» был переформулирован Мэтью Кваном.[14] для обозначения техники использования ЦП общего назначения для реализации нескольких параллельных простых виртуальные машины используя общие логические инструкции для выполнения Одна инструкция, несколько данных (SIMD) операции. Этот метод также известен как SIMD в регистре (SWAR).

Первоначально это было отсылкой к работе Эли Бихама 1997 года. Быстрая реализация нового DES в программном обеспечении,[15] что позволило значительно повысить производительность DES используя этот метод.

Битовые квантовые компьютеры

Чтобы упростить структуру схемы и снизить стоимость оборудования квантовые компьютеры (предлагается запустить Набор инструкций MIPS32 ) 50 ГГц сверхпроводящий «Был продемонстрирован 4-битный арифметико-логический блок (ALU) для 32-битных быстрых одноквантовых микропроцессоров».[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бенаджила, Ряд; Го, Цзянь; Ломне, Виктор; Пейрин, Томас (2014-03-21) [2013-07-15]. «Реализация облегченных блочных шифров на архитектурах x86». Архив криптологии. Отчет 2013/445. В архиве из оригинала на 2017-08-17. Получено 2019-12-28.
  2. ^ «Как создать 1-битный ALU». www.cs.umd.edu. Архивировано из оригинал на 2017-05-08. […] Вот как бы вы поместили три 1-битных ALU для создания 3-битного ALU […]
  3. ^ «3002 - Музей Хижины ЦПУ». cpushack.com. Получено 2017-11-05.
  4. ^ «Технологическое лидерство - биполярный микропроцессор» (PDF). Печатки. S2.95. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-02-12. Получено 2017-05-21.
  5. ^ «ИМП-4 - National Semiconductor». en.wikichop.org. Получено 2017-11-05.
  6. ^ а б c d е Клар, Райнер (1989) [1988-10-01]. «5.2 Der Mikroprozessor, ein Universal-Rechenautomat». Digitale Rechenautomaten - Einführung in die Struktur von Computerhardware [Цифровые компьютеры - Введение в структуру компьютерного оборудования]. Sammlung Göschen (на немецком языке). 2050 (4-е переработанное изд.). Берлин, Германия: Walter de Gruyter & Co. п. 198. ISBN  3-11011700-2. (320 страниц)
  7. ^ «6701 - Музей Хижины ЦПУ». cpushack.com. Получено 2017-11-05.
  8. ^ "5700/6700 - Монолитные воспоминания". en.wikichip.org. Получено 2017-11-05.
  9. ^ "Файл: MMI 5701-6701 MCU (август 1974 г.) .pdf" (PDF). en.wikichip.org. Получено 2017-11-05.
  10. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-02-11. Получено 2017-05-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  11. ^ "SN74S481". Музей CPU Shack. Получено 2017-11-05.
  12. ^ а б Мюллер, Дитер (2012). "MC10800". 6502.org. В архиве из оригинала 2018-07-18. Получено 2017-11-05.
  13. ^ «Компьютеры Sperry Univac 1100/60 System» (PDF). Делран, Нью-Джерси, США: Datapro Research Corporation. Январь 1983 г. 70C-877-12. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-06-11. Получено 2016-01-28.
  14. ^ "Битслайс ДЕС". darkside.com.au. Получено 2017-11-05.
  15. ^ Бихам, Эли (1997). «Быстрая реализация нового DES в программном обеспечении». cs.technion.ac.il. Получено 2017-11-05.
  16. ^ Тан, Гуан-Мин; Таката, Кенсуке; Танака, Масамицу; Фуджимаки, Акира; Такаги, Кадзуёси; Такаги, Наофуми (январь 2016 г.) [2015-12-09]. «4-битный битовый блок арифметической логики для 32-битных микропроцессоров RSFQ». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 26 (1): 2507125. Bibcode:2016ITAS ... 2607125T. Дои:10.1109 / TASC.2015.2507125. 1300106. […] Был продемонстрирован 4-битный арифметико-логический блок (ALU) для 32-битных быстрых одноквантовых микропроцессоров. Предлагаемый ALU охватывает все операции ALU для набора инструкций MIPS32. […] Состоит из 3481 Джозефсоновские переходы площадью 3,09 × 1,66 мм2. Он достиг целевой частоты 50 ГГц и задержки 524 пс для 32-битной операции при расчетных Смещение постоянного тока напряжение 2,5 мВ […] Был разработан и изготовлен еще один 8-битный параллельный ALU с целевой частотой обработки 30 ГГц […] Для достижения сопоставимой производительности с параллельными микропроцессорами CMOS, работающими на частоте 2–3 ГГц, 4-битная обработка битов должен выполняться с тактовой частотой в несколько десятков гигагерц. Несколько последовательных арифметических схем были успешно продемонстрированы с высокоскоростными тактовыми частотами выше 50 ГГц […]

внешняя ссылка