Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК..pdf

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. Сейчас даже более-менее продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных, переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема.

История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года, когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками. Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов.

К 1970 году достаточно много производителей занималось разработкой и созданием интегральных схем различной емкости и разной функциональной направленности. Но именно этот год можно считать датой рождения первого микропроцессора. Именно в этом году фирма Intel создает микросхему памяти емкостью всего лишь 1 Кбит – ничтожно мало для современных процессоров, но невероятно велико для того времени. На то время это было огромнейшее достижение – микросхема памяти способна была хранить до 128 байт информации – намного выше подобных аналогов. Кроме этого примерно в тоже время японский производитель калькуляторов Busicom заказала той же Intel 12 микросхем различной функциональной направленности. Специалистам Intel удалось реализовать все 12 функциональных направленностей в одной микросхеме. Более того, созданная микросхема оказалась многофункциональной, поскольку позволяла программно менять свои функции, не меняя при этом физической структуры. Микросхема выполняла определенные функции в зависимости от подаваемых на ее управляющие выводы команд.

Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники. 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года, компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применяться в первых персональных компьютерах IBM и, по сути, заложил один из кирпичиков в историю ЭВМ.

Наиболее важными компонентами любого компьютера, обуславливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и ин­терфейсы.

Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) — функционально-за­конченное программно управляемое устройство обработки информации, выпол­ненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Глава 1. Микропроцессоры.

1.1. Функции микропроцессора

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• вычисление адресов команд и операндов;
• выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• выборку данных из ОП, регистров 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 ПК;
• переход к следующей команде.

1.2. Параметры микропроцессоров

Основными параметрами микропроцессоров являются:

• разрядность;
• рабочая тактовая частота;
• виды и размер кэш-памяти;
• состав инструкций;
• конструктив;
• рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстро­действие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

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

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

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

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП, и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. 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 МП.

1.3. Классификация микропроцессоров

В настоящее время разными фирмами (AMD, VIA Apollo, IBM и др.) выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

• CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;
• RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;
• VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхдлинным командным словом;
• MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием.

1.3.1 Микропроцессоры типа CISC

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д. Законодателем «мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая МП по некоторым параметрам лучше «интеловских». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение; характеристики некоторых из них приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики некоторых CISC МП

Условные обозначения в столбце «Состав команд»: «ММХ +» означает, что имеется несколько дополнительных 32-битовых инструкций группы SSE (Streaming SIMD Extention). В столбце кэш символ F у кэш-памяти уровня L2 означает, что память рабо­тает на частоте процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора.

Пояснения к таблице:

• число элементов — это количество элементарных полупроводниковых пере­ходов, размещенное в интегральной схеме МП. Технология обычно характе­ризуется размером элемента в микронах (микронная технология).
• микропроцессоры 80486DX и выше имеют встроенный математический сопро­цессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отноше­нию к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работа­ют с обычной частотой;
• у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд — это одновременное выполне­ние разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непо­средственной передаче результатов из одной части МП в другую, увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;
• у МП 80286 и выше есть возможность работы в вычислительной сети;
• у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти.

Современные микропроцес­соры имеют два режима работы:

Реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно вы­полнение только одной программы и непосредственно адресоваться могут только 1024 + 64 Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов;

Защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечи­вающий выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адре­сацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Предоставляется непосредственный доступ к памяти ем­костью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 100 Гбайт для МП Pentium Xeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти — к 16 Тбайт виртуальной памяти для каждой задачи. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствую­щая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный ре­жим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, UNIX и т. д.

• в МП 80386 и выше встроена поддержка системы виртуальных машин. Систе­ма виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадач­ной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
• у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти;
• у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять ко­роткие операции за 1 такт.

Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обо­значения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и т. д.).

МП шестого поколения 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro, имеют более высокую производительность благодаря наличию «динамического исполнения» (dynamic execution).

Это означает:

• наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (superpipelining),
• наличие предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction)
• исполнение команд по пред­полагаемому пути ветвления (speculative execution).

В программах решения многих задач содержится боль­шое число условных передач управления. Если процессор может заранее пред­сказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейе­ров. Если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и за­грузить нужные команды заново, что требует достаточно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90%, про­тив 80% у МП Pentium.

МП Pentium ММХ (ММХ — MultiMedia eXtention) и Pentium II модернизированы для работы в мультимедийной технологии. В них появилась качественно новая технология: начали вне­дряться инструкции SIMD (Single Instruction Multiply Data), в которых одно и то же действие совершается над многими данными. Более дешевый вариант Pentium II – Celeron (с отсутствующим либо урезанным до 128 Кбайт кэшем 2-го уровня).

В МП Pentium III присутствует новый блок 128-разрядных регистров, что позволило осуществить расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). Увеличен кэш 2-го уровня. Pentium III Xeon — процессоры, позиционированные для серверов.

В Pentium 4 улучшена система «динамического исполнения».

Динамическое исполнение позволяет про­цессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи техноло­гии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохожде­ние программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на не­сколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанали­зировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций независимо от порядка их следования в тексте программы. И, на­конец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы за счет выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожи­даемой последовательности — то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвле­ний, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалени­ем тех, которые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального.