Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf

3. Классификация процессоров

3.1 По числу Больших интегральных схем

Как правило, классификация процессоров бывает разным по различным критериям. По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают бывают:

• Однокристальные;
• Многокристальные;
• Многокристальные секционные;

1. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.
2. Многокристальные процессоры получаются при проведении разбиения его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
3. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".

3.2 Классификация по назначению

1. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация микропроцессоров, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
2. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на:
   1. Выполнение сложных последовательностей логических операций,
   2. Математические микропроцессоры, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения,
   3. Микропроцессоры для обработки данных в различных областях применений и т. п. С помощью специализированных микропроцессоров можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

3.3 Классификация по характеру временной организации работы

1. Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).
2. Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

Классификация по количеству выполняемых программ

1. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
2. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

3. 4 Классификация по типу микропроцессоров

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

4. Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например, двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь разделено на два логических ядра, что существенно влияет на скорость его работы.

Сопроцессоры

Сопроцессор - специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для Персонального компьютера начиная с Intel 486DX).

Различают следующие виды сопроцессоров:

• математические сопроцессоры общего назначения, обычно ускоряющие вычисления с плавающей точкой,
• сопроцессоры ввода-вывода (например - Intel 8089), разгружающие центральный процессор от контроля за операциями ввода-вывода или расширяющие стандартное адресное пространство процессора,
• сопроцессоры для выполнения каких-либо узкоспециализированных вычислений.

Сопроцессоры могут входить в набор логики, разработанный одной конкретной фирмой (например, Intel выпускала в комплекте с процессором 8086 сопроцессоры 8087 и 8089) или выпускаться сторонним производителем (например, Weitek 1064 для M68k и 1067 для Intel 80286).

Математический сопроцессор 80x287 в колодке на базовой плате персонального компьютера.

Сопроцессор расширяет систему инструкций центрального микропроцессора, поэтому для его использования, программа (компилируемая без интерпретации и вызова внешних библиотек) должна содержать эти инструкции. Настройки современных компиляторов для языков высокого уровня под процессоры семейства x86 зачастую позволяют выбирать: использовать математический сопроцессор или нет, что особенно важно при создании кода, который будет исполняться внутри обработчика аппаратного прерывания.

Рис 3. Структурная схема центрального процессора и сопроцессора

5. Параметры, функции и назначение процессоров

5.1 Параметры процессоров

Основными параметрами микропроцессоров являются:

• Разрядность;
• Рабочая тактовая частота;
• Размер кэш-памяти;
• Состав инструкций;
• Конструктив;
• Рабочее напряжение и т. д.
• Архитектура

Микропроцессор характеризуется:

1. Тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в электронно-вычислительной машине;
2. Разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядность микропроцессоров обозначается m/n/k/ и включает:

1. m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
2. n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
3. k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, микропроцессор i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
4. Архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и микроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Кэш-память, устанавливаемая на плате микропроцессора, имеет два уровня:

• L1 - память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора (впервые кэш L1 был введен в микропроцессор i486 и в микропроцессор i386SLC);
• L2 - память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в микропроцессор Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте микропроцессора. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций - перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых микропроцессоров. От типа команд зависит классификационная группа микропроцессоров (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в микропроцессор, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих микропроцессорах (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в микропроцессор i386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается микропроцессор, и, которые определяют пригодность материнской платы для установки микропроцессора. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки микропроцессора.

В общем случае под архитектурой электронно-вычислительной машине понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка электронно-вычислительной машины, структуры данных.

5.2 Функции процессоров

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• Вычисление адресов команд и операндов;
• Выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• Выборку данных из ОП, регистров микропроцессорной памяти (МПП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
• Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• Обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;
• Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков персонального компьютера;
• Переход к следующей команде.