Файл: Процессор.docx

. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

. Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.4.


Рис. 1.4. Затраты на производство микропроцессорной системы
Здесь:

1) затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);

2) затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);

3) общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;

4) переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается) [9].

Глава 2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

.1 Эволюция архитектуры процессоров

Сотрудник компании Intel Маршиан Эдвард Хофф в 1970 году сконструировал интегральную микросхему, которая по функциям аналогична центральному процессору большой ЭВМ - это был первый микропроцессор Intel-4004. В 1971 году , 15 ноября, он поступил на рынок электронной техники и этот день считают началом новой эры в электронике.

Особенностью МП Intel-4004 были размеры и производительность. Несмотря на маленький размер - менее 3 см, он превосходил по производительности супер ЭВМ ENIAC. Правда, он мог обрабатывать всего 4 бита информации (в то время, как, процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но стоимость его была в десятки тысяч раз меньше.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема кристалла включала 2300 транзисторов, тактовая частота составляла 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел три регистра стека типа LIFO, счетчик команд (адресный стек), блок регистров сверхоперативной памяти - РОНов, аккумулятор, 4-разрядное АЛУ, регистр команд,

---

включающий дешифратор команд и схему управления, а также схему связи с внешними устройствами. Функциональные узлы объединялись на кристалле между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд составляла 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ мини ЭВМ редко был больше, чем 16 Кбайт), а блок РОНов насчитывал шестнадцать 4-разрядных регистров, которые использовали и как восемь 8-разрядных. Такая организация была сохранена и в следующих реализациях микропроцессоров фирмы Intel. Три регистра стека предоставляли три уровня вложенности подпрограмм. МП i4004 монтировался в металлокерамический или пластмассовый корпус DIP (Dual In-line Package) с 16 выводами.

В системе команд МП было всего 46 инструкций. Кроме того, у кристалла были ограничены средства ввода/вывода, а система команд не имела в своем составе логические операции для обработки данных (AND, OR, XOR), Решалась данная проблема путем использования специальных подпрограмм. В модуле i4004 отсутствовала команда HALT (останов) и обработка прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

Впоследствии этой же фирмой был выпущен еще один 4-разрядный микропроцессор - I-4040.

На протяжении многих лет крупнейшими разработчиками и производителями универсальных микропроцессоров в мире являются компании Intel (70-75 % мирового производства) и Advanced Micro Devices (AMD), занимающая 20-25 % рынка. Их разработки идут во многом параллельными путями. В 1972 году на рынке появился 8-разрядный МП I-8008, а вслед за ним, в 1974 году,- I-8080. Последний микропроцессор сыграл значительную роль в развитии микропроцессорной техники. Во многом он заложил основы архитектуры для всех последующих поколений микропроцессоров. Он имеет раздельные 8-разрядную шину данных и 16-разрядную шину адреса, возможность подключения памяти емкостью до 64 Кбайт и до256 внешних устройств. Микропроцессор содержит 16-разрядные указатель команд (Instruction Pointer - IP) и указатель стека (Stack Pointer - SP), шесть 8-разрядных регистров общего назначения (РОН), которые могут использоваться как три 16-разрядные. Система команд состоит из 78 базовых команд. При загрузке операнда из памяти применяется прямая, косвенная регистровая или стековая адресация. В общем случае программист может использовать регистровую, прямую, косвенную, непосредственную, индексную, прямую и косвенную автоинкрементную и автодекрементную адресации.

---

Микропроцессор содержит входные и выходные интерфейсные сигналы, обеспечивающие реакцию на сигналы запросов внешних прерываний, организацию прямого доступа к памяти, а также согласование своего цикла работы с медленными внешними устройствами (ВУ).

Его отличительной чертой стало создание микропроцессорного комплекта или семейства, то есть набора БИС, совместимых между собой по интерфейсным сигналам и функционально дополняющих друг друга. В нашей стране этот микропроцессорный комплект выпускался в составе серии К580.

БИС данного микропроцессорного комплекта вследствие хороших архитектурных решений, широкой номенклатуры и совместимости до сих пор можно встретить в некоторых цифровых устройствах, не требующих высокого быстродействия и разрядности, а идеи, заложенные в таких схемах, как контроллер прерываний и контроллер прямого доступа к памяти, используются в современных наборах системной логики - чипсетах.

Очередным крупным шагом в развитии микропроцессорной техники стало появление в 1978 году 16-разрядных универсальных микропроцессоров. Здесь, прежде всего, следует выделить микропроцессор I-8086, выпускавшийся отечественной электронной промышленностью в составе семейства К1810. Эти микропроцессоры, заложившие основы архитектуры x86, использовались при производстве первых персональных ЭВМ.

Основными отличительными чертами в архитектуре этого микропроцессора стали:

- увеличение разрядности регистров общего назначения до 16 бит;

- увеличение количества регистров общего назначения до 8;

- увеличение количества режимов адресации операндов;

- расширение количества флагов в регистре признаков, в том числе за счет введения флагов управления, обеспечивающих, например, возможность запрета внешних маскируемых прерываний;

- появление сегментного механизма обращения к памяти, который обеспечил возможность обращения к памяти емкостью до 1 Мбайт при использовании 16-разрядных регистров.

Появившийся вслед за этим в 1982 году микропроцессор i286 явился переходной ступенью к 32-разрядным универсальным микропроцессорам. В процессоре i286 было реализовано два режима работы - защищенный и реальный. В реальном режиме работы процессор был полностью совместим с выпускавшимися ранее 16-разрядными микропроцессорами с архитектурой x86. В формировании адреса участвовали только 20 линий, поэтому максимальная емкость адресуемой памяти в этом режиме осталась прежней - 1 Мбайт. В защищенном режиме процессор мог адресовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Шина адреса увеличена до 24 бит, поэтому емкость адресуемой памяти составляла 16 Мбайт. Для защиты от несанкционированного доступа к программам и данным и выполнения привилегированных команд, которые могут кардинально изменить состояние всей системы, в процессоре i286 была введена защита по привилегиям. С этой целью микропроцессор поддерживал 4 уровня привилегий. Для выполнения операций над числами с плавающей точкой была разработана отдельная БИС - математический сопроцессор 80287.

---

В 1985 году был выпущен 32-разрядный универсальный микропроцессор i386 - первый полноценный представитель архитектуры IA-32 (Intel Architecture-32). Развитие этой архитектуры продолжалось вплоть до последних моделей микропроцессора Pentium 4. Данную архитектуру отличает ряд изменений, некоторые из которых имеют чисто количественное значение, а другие носят принципиальный характер.

Главным внешним отличием является увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это, в свою очередь, связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора.

Большие качественные изменения произошли на уровне работы микропроцессора в защищенном режиме, который был существенно развит по сравнению с i286. Отметим основные черты этого режима [2].

. Принципиально меняется механизм формирования физического адреса. Прежде всего, изменяется механизм использования сегментированной памяти. Сегменты в защищенном режиме могут иметь произвольную длину и располагаться в памяти начиная с произвольного адреса. Каждый сегмент снабжается рядом атрибутов (базовый адрес, длина сегмента, его тип, уровень защиты и т. п.), которые хранятся в специальной структуре, называемой дескриптором сегмента, и используются блоком управления памятью микропроцессора при формировании физических адресов операндов и команд. Появляется возможность использования страничного механизма организации памяти. Страница - это раздел памяти, который, в отличие от сегмента, имеет фиксированную длину. Страничная организация памяти служит основой виртуальной памяти и обеспечивает более эффективное, по сравнению с сегментной, использование памяти.

2. Организуется аппаратная поддержка мультипрограммного режима работы, при котором в памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. Каждой задаче предоставляется свой <виртуальный процессор>. В каждый момент времени реальный процессор предоставляется одному из виртуальных процессоров, выполняющему свою задачу.

. С целью обеспечения защиты информации и упрощения организации мультипрограммного режима работы микропроцессор снабжается специальными механизмами, определяющими, какие операции и обращения к памяти разрешается производить процессору при выполнении текущей задачи.

---

.2 Эволюция развития микропроцессоров Intel

процессор центральный архитектура цифровой

За время, прошедшее после появления первого 32-разрядного микропроцессора, только фирмой Intel было выпущено несколько десятков модификаций 32-разрядных МП. Изменения в некоторых моделях носили принципиальный характер, а ряд моделей содержали в основном лишь количественные изменения отдельных параметров (частота, емкость кэш-памяти и т. п.). Основные этапы развития этой архитектуры, которые носят принципиальный характер, представлены в табл.1 [4].
Таблица 1. Этапы развития архитектуры процессора Intel

Модель	Год начала выпуска	Число транзисторов на кристалле	Максимальная тактовая частота, МГц	Схема обработки данных	Наличие кэш-памяти на кристалле	Регистры	Количество команд в системе команд	Количество конвейеров/ступеней конвейера
i386	1985	275 тыс.	40	SISD, ФТ*	нет	32 разрядные с ФТ***	220	-
i486	1989	1,2 млн.	100	SISD, ФТ, ПТ**	да	--- // --- +80-разрядные с ПТ***	--- // ---	---
Pentium	1993	3,1 млн.	200	--- // ---	--- // ---	--- // ---	--- // ---	2/5
Pentium MMX	1997	4,5 млн.	233	--- // --- +SIMD, ФПБ	--- // ---	--- // ---	+ 57	4/14
Pentium III	1999	9,5 млн. (28,1 млн.)	1400	--- // --- +SIMD, П3	--- // --- +кэш L2	--- // --- +128-разрядные SSE	+70	5/11
Pentium 4	2000	42 млн.	3800	--- // ---	--- // ---	--- // ---	+144	9/31

---