Процессоры ЭВМ

их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC

- процессорах. В результате чего, RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее

имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд

и высоко производительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ).

Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее

типа.

Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто

используемых простейших инструкций одинаковой длины.

Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“

( операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат

операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными

регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи ).

Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов

языков высокого уровня.

4.2 Микропроцессоры с архитектурой CISC

Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set

Computers) - архитектура вычислений с полной системой команд. Реализующие

на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности (

от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до

значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных

микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.)

5. Обзор некоторых 16- и 32-разрядных

микропроцессоров.

.

5.1. Процессоры фирмы Intel.

5.1.1. Первые процессоры фирмы Intel.

За 20-летнюю историю развития микропроцессорной техники,

ведущие позиции в этой области занимает американская фирма Intel

(INTegral ELectronics). До того как фирма Intel начала выпускать

микрокомпьютеры, она разрабатывала и производила другие виды интегральных

микросхем. Главной ее продукцией были микросхемы для калькуляторов. В 1971

г. она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004.

Фирма первоначально продавала его в качестве встроенного контроллера (что-

то вроде средства управления уличным светофором или микроволновой печью).

4004 был четырех битовым, т.е. он мог хранить, обрабатывать и записывать

в память или считывать из нее четырех битовые числа. После чипа 4004

появился 4040, но 4040 поддерживал внешние прерывания. Оба чипа имели

фиксированное число внутренних индексных регистров. Это означало, что

выполняемые программы были ограничены числом вложений подпрограмм до 7.

В 1972 г., т.е. спустя год после появления 4004, Intel выпустила

очередной процессор 8008, но подлинный успех ей принес 8-битный

микропроцессор 8080, который был объявлен в 1973 г. Этот микропроцессор

получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей

стране его аналог - микропроцессор KP580ИК80 применяется во многих

бытовых персональных компьютерах и разнообразных контроллерах. С чипом

8080 также связано появление стека внешней памяти, что позволило

использовать программы любой вложенности.

Процессор 8080 был основной частью первого небольшого компьютера,

который получил широкое распространение в деловом мире. Операционная

система для него была создана фирмой Digital Research и называлась Control

Program for Microcomputers (CP/M).

5.1.2. Процессор 80286.

|МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА 80286 |

|80286 - однокристальный 16-разрядный МП |

|80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор |

|82284 - генератор тактовых сигналов |

|82288 - системный контроллер |

|82289 - арбитр магистрали |

Микропроцессор 80286 появился в 1982 году. При разработке были учтены

достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров.

Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса

он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального

адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет

программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно

отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление

дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем

уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и

мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях

PS/2.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80286

Тактовая частота.............………………....6; 8; 10; 12

Адресное пространство памяти:

физической, Мбайт........................………………...16

виртуальной на задачу, Гбайт.............……………..1

Число уровней защиты памяти...............…………..4

Пропускная способность шины, Мбайт/с......…12,5

Число контактов четырехразрядного корпуса.….68

5.1.3. Процессор 80386.

|МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО НАБОРА 80386 |

|80386 - быстродействующий 32-разрядный МП с 32-разрядной внешней|

| |

|80387 - быстродействующий математический сопроцессор |

|82384 - генератор тактовых сигналов |

|82358 - арбитр магистрали. |

При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось решить две

основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была

решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса

(Real Adress Mode) или P-режим.

В Р-режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код)

процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в

этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы,

что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом

режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386,

среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти,

ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды,

средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4

Гбайт.

Микропроцессор 80386 дает разработчику систем большое число

новых и эффективных возможностей, включая производительность от 3 до 4

миллион операций в секунду, полную 32-битную архитектуру, 4 гигабитное (2

байт) физическое адресное пространство и внутреннее обеспечение работы со

страничной виртуальной памятью.

Микропроцессор реализован с помощью технологии фирмы Intel CH MOSIII

- технологического процесса, объединяющего в себе возможности высокого

быстродействия технологии HMOS с малым потреблением технологии кмоп.

Использование геометрии 1,5 мкм и слоев металлизации дает 80386 более

275000 транзисторов на кристалле. Микропроцессор 80386 выпускается в двух

вариантах, работающих на частоте I2 и I6 мгц без состояний ожидания,

причем вариант 80386 на 16 мгц обеспечивает скорость работы 3-4 миллиона

операций в секунду.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно

работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины,

соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация

функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения

различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько

операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение

ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок

умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт

синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-

битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта

(в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за

один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (и-

ли к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием

конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных

после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре.

Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении

команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий

магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел

конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в

подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать

следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на

текущий магистральный цикл.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80386

Тактовая частота, МГц.................16, 20, 25, 33

Адресное пространство памяти:

физическое, Гбайт...................……………….4

виртуальное, Тбайт...................…………….64

Число уровней защиты..................…………...4

Пропускная способность шины, Мбайт/с....32

Число контактов корпуса с матричным

разложением выводов...................…………132

5.1.4. Процессор 80486.

|МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО НАБОРА 80486 |

|80486 - быстродействующий 32-разрядный МП |

|82596СА - 32-разрядный сопроцессор LAN |

|82320 - контроллер магистрали Micro Chanel (MCA) |

|82350 - контроллер магистрали EISA |

|82С508 - микросхема программируемой логики, минимизирующая |

|объем оборудования основной платы |

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства

80х86, содержащего более миллиона транзисторов в чипе. Этот чип во многом

сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами

386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти

(сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения

операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем

не менее, поддерживают программную совместимость с предыдущими членами

семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции

выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-

команд. Восьми килобайтный унифицированный кэш для кода и данных,

соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек

при частоте 25/33 МГерц гарантируют высокую производительность системы

даже с недорогими дисками (DRAM). Новые возможности расширяют

многозадачность систем. Новые операции увеличивают скорость работы с

семафорами в памяти. Оборудование на микросхеме гарантирует

непротиворечивость кэш-памяти и поддерживает средства для реализации

многоуровневого кэширования. Встроенная система тестирования проверяет

микро схемную логику, кэш-память и микро схемное постраничное

преобразование адресов памяти. Возможности отладки включают в себя

установку ловушек контрольных точек в выполняемом коде и при доступе к

данным. Процессор i486 имеет встроенный в микросхему внутренний кэш для

хранения 8Кбайт команд и данных. Кэш увеличивает быстродействие системы,

отвечая на внутренние запросы чтения быстрее, чем при выполнении цикла

чтения оперативной памяти по шине. Это средство уменьшает также

использование процессором внешней шины. Внутренний кэш прозрачен для

работающих программ. Процессор i486 может использовать внешний кэш

второго уровня вне микросхемы процессора. Обычно внешний кэш позволяет

увеличить быстродействие и уменьшить полосу пропускания шины, требуемую

процессором i486.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80486

Разрядность:

АЛУ 32

Шины данных 32

Адреса 32

Адресное пространство ОЗУ, Мбайт 40,96

Число команд 196

Кэш-память, Кбайт 8

Сопроцессор: Встроенный, 80387

Тактовая частота, МГц 20-33

Корпус микросхемы:

Число рядов 4

Число контактов 168

5.1.5. Обзор последующих процессоров фирмы Intel

Pentium - самые первые процессоры семейства P5 появились в далеком

марте 1993-го. Тогда Intel, чтобы не повторить ошибки с i486 (суд отклонил

иск к AMD по поводу названия) решила дать своему детищу имя, которое в

последствие стало нарицательным. Первое поколение Pentium носило кодовое

имя P5 он же 80501, напряжение питания 5 вольт, расположение выводов -

"матрица" и работало на тактовых частотах 60 и 66 МГц, выпускаясь по 0.80-

микронной технологии (правда стоит отметить, что частота шины у этих

процессоров была равна частоте ядра). Выпускались они исключительно под

Socket 4.

Следующим шагом в развитии этого семейства стал P54 он же 80502,

напряжение питания 3.3 вольта, расположение выводов - "шахматная матрица".

Появился ровно через год после P5. При его изготовлении использовался уже

0.50, а затем и 0.35-микронный технологический процесс. Тактовая частота

находилась в пределах 75-200 МГц, а шина - 50-66 МГц. Объем-кэш памяти

первого уровня - 16Кбайт, причем впервые был применен раздельный кэш - 8

Кбайт на данные и 8 Кбайт на инструкции. Форм-фактор - Socket 5.

Архитектура IA32, набор команд не менялся со времен i386.

Pentium w/MMX technology - следующим большим шагов стал выпуск P55:

процессора в котором впервые был реализован новый набор из 57 команд MMX.

Произошло это 8 января 1997 года. С развитием технологии процессоры стали

выпускаться по 0.35 мкм технологии. Изменилось напряжение питания

(уменьшилось до 2.8 вольта), соответственно потребовались изменения в

конструктивах системных плат - требовалась установка дополнительного

стабилизатора напряжения. Объем кэш-памяти первого уровня был увеличен в

два раза - 32 Кбайта. Внутрення тактовая частота составляла 166-233 МГц, а

частота шины - исключительно 66 МГц. Рассчитан на Socket 7.

На этом развитие линейки Pentium для настольных компьютеров было

прекращено.

Tillamook - процессор, изначально создавшийся для применения в

ноутбуках. Благодаря усовершенствованному 0.25-микронному процессу удалось

одновременно поднять тактовую частоту вплоть до 266 МГц, а также снизить

напряжение ядра и рассеиваемую мощность. Таким образом, мобильные

компьютеры встали в один ряд с настольными. Он является продолжением

линейки Pentium и включает 32 Кбайта L1 кэша и набор команд MMX. Выпускался

для работы на тактовых частотах от 133 до 266+ МГц с частотой шины 60-66

МГц. Тип упаковки: TCP и MMC (хотя существуют переходники для установки

Tilamook в гнездо Super7). Появился 8 января 1997 года.

Pentium Pro - первый процессор шестого поколения. Довольно

революционный для своего времени. В нем впервые Intel решилась применить

кэш-память второго уровня, объединенную в одном корпусе с ядром и

оперирующую на частоте процессора. Имел очень высокую себестоимость

изготовления, которая так практически и не снизилась за все время его

существования с 1 ноября 1995 года. Выпускался как по 0.50, так и по 0.35-

микронной технологии. 0.35 мкм позволили увеличить объем кэша. Кэш второго

уровня имел объем 256, 512, 1024 или 2048 Кбайт. Тактовая частота - от 150

до 200МГц. Частота системной шины - 60-66 МГц. Кэш первого уровня объемом

16Кбайт. Выпускался исключительно для Socket 8. Pentium Pro поддерживал все

инструкции процессора Pentium (естественно, не MMX), а также ряд новых по

сравнению с Pentium инструкций (cmov, fcomi, и т.д.). Введена двойная

независимая шина (DIB). В дальнейшем все новшества унаследовал Pentium II

(в свое время, задолго до своего выпуска, Klamath представлялся просто как

Pentium Pro с добавлением MMX и улучшенной работой с 16-битными

приложениями). Значительно опередил свое время.

Pentium II/III - семейство P6/6x86, первые представители появились в

мае 1997 года. Объединяет общим именем процессоры, предназначенные для

разных сегментов рынка. Pentium II (Klamath, Deschutes, Katmai и др.) для

массового рынка ПК среднего уровня, Celeron (Covington, Mendocino, Dixon и

др.) - для недорогих low-end компьютеров, Xeon (Xeon, Tanner, Cascades и

др.) для высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Имеет

модификации для Slot 1, Slot 2, Socket 370, а также варианты в мобильном

исполнении. Ниже мы рассмотрим каждое семейство в отдельности.

Klamath - самый первый процессор линейки Pentium II. Изготавливался по

уже устаревшей 0.35-микронной технологии, а потому диапазон тактовых частот

всего 233-300 МГц. Частота системной шины - 66 МГц, кэш-память второго

уровня - 512 Кбайт. Последняя размещена на процессорной плате и работает на

половине частоты процессора. Ранние модели выпускались как в варианте с 256

Кбайт, так и с 512 Кбайт кэша L2. Кэш первого уровня - 32 Кбайт. Дополнен

MMX-блоком. Питание 2.8 В. Это также первый процессор для Slot 1 (картридж

- SECC). Увидел свет 7 мая 1997 года.

Deschutes - дальнейшее развитие линейки Pentium II,

усовершенствованная технология изготовления 0.25 микрон, питание - 2.0 В.

Соответственно, удалось поднять тактовую частоту 266-450+ МГц, частота

системной шины 66-100 МГц, кэш-память второго уровня 512 Кбайт размещена на

процессорной плате, вышел 26 января 1998, Slot 1. Кэш первого уровня 32

Кбайта. Последнее ядро официально применявшееся в процессорах Pentium II,

хотя последние модели Pentium II 350-450 шли с ядром, уже больше

напоминавшим Katmai - только, естественно, с обрезанным SSE. Да и картридж

тогда уже стал SECC2 (кэш с одной стороны от ядра (а не с двух, как в

стандартном Deschutes, измененное крепление кулера.).

Tonga - очень интересный процессор. Его имя мне впервые встретилось

при написании данного обзора. Дело в том, что Intel никогда не афишировала

тот факт, что Mobile Pentium II, построенный на 0.25 микронном ядре

Deschutes будет называться именно Tonga. Правда, особо удивляться тут

нечему: это ведь всего лишь codename, а на рынок процессоры выходят совсем

под другими именами. В любом случае он впервые появился 2 апреля 1998 года.

Тактовая частота в диапазоне 233-300+ МГц, шина - стандартные 66 МГц.

Выпускается как Mini Cartridge Connector и Mobile Module Connector 1 и 2

(MMC-1 и 2).

Katmai - Прямой наследник Deschutes. Изменения - добавлен блок SSE

(Streaming SIMD Extensions), слегка расширен набор команд MMX,

усовершенствован механизм потокового доступа к памяти. Техпроцесс 0.25 мкм,

тактовая частота 450-600 МГц МГц, кэш-память второго уровня объемом 512

Кбайт размещена на процессорной плате Частота шины изначально составляла

100 МГц, но в сентябре 1999, в связи с задержкой Coppermine, вышли 533 и

600 МГц модели, рассчитанные на частоту системной шины 133 МГц.

Страницы: 1, 2, 3