Велика бібліотека української літератури
» » » Микропроцессоры

Компьютеры и Интернет Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и

Микропроцессоры

Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и ин­терфейсы.
Микропроцессор (МП), или CentralProcessingUnit (CPU) — функционально законченное программно управляемое устройство обработки информации, вы­полненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
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.
Основными параметрами микропроцессоров являются :
□ разрядность;
□ рабочая тактовая частота;
□ 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 в МП i386SLC);
□ L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП PentiumII). 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 могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в не­больших количествах вводились во многих МП (286, 486, PentiumPro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот со­став далее принят за базовый), PentiumMMX, PentiumIII, Pentium 4.
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.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами 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) сусеченнымнаборомсистемыкоманд;
□ VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;
□ MISC (MinimumInstructionSetCommand) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.
Микропроцессоры типа CISC
Большинство современных ПК типа IBMPC 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 ряд МП, по некоторым параметрам превосходящие «интеловские». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 8.1.


Таблица 8.1.
Характеристики некоторых CISC МП1
Модель МП Intel
Разрядность
данных /адреса,
бит
Тактовая частота, МГц Адресное пространство, байт Состав команд Число элементов; Технология Кэш L1 и L2, Кбайт Напряжение питания; конструктив Год выпуска
4004 4 4 0,108 640 -
2300;
10 мкм
- - 1971
8080 8 8 2,0 64 - 103 - 10 000; 6 мкм - 1974
8086 16 16 4,77 и8 106 - 70 000; 3 мкм - 1979
8088 8, 16 16 4,77 и8 106 - 70 000; 3 мкм - 1978
80186 16 20 8и 10 106 - 140 000 - - 1981
80286 16 24 8-20 16 - 106 - 180 000; 1,5 мкм - - 1982
80386 32 32 16-50 4 - 109 Базовый
275 000;
1 мкм
- - 1985
80486 32 32 25-100 4- 109 Базовый 1,2 • 106 ; 1 мкм 8 - 1989
Pentium 64 32 60-233 4-Ю9 Базовый 3,3 - 106 ; 0,5, 0,35 мкм 8 + 8 5 В; Socket 5 1993
PPentium Pro 64 32 150-200 4-Ю9 Базовый 5,5 • 106 ; 0,5, 0,35 мкм 8 + 8 5 В; Socket 8 1995
Следует знать, что:
□ у микропроцессоров 80386 и 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SLи т. д., отличающиеся от базовой модели разрядностью шины, тактовой часто­ той, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряже­ния и другими параметрами;
□ микропроцессоры Pentium, PentiumII, PentiumIII имеют много различных модификаций, некоторые из них будут названы далее;
□ число элементов — это количество элементарных полупроводниковых пере­ходов, размещенных в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микрометрах (микронная технология).
Следует также знать, что:
□ 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 на системной плате, работа­ют с обычной частотой;
□ у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд. В МП 286 предусмотрены регистры для очереди команд общим размером 6 байт, в МП 486 —16 байт и т. д. Конвейерное выполнение команд — это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Кон­вейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;
□ у МП 80286 и выше есть возможность работы и вычислительной сети;
□ у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти.
Современные микропроцес соры имеют два режима работы
О реальный (однозадачный, RealAddressMode), 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, поддерживается операционной системой DOS;
О защищенный (многозадачный, ProtectedVirtualAddressMode), 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 PentiumXeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти — к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задаче. 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 двух уровней (L1 и L2);
□ у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять ко­роткие операции за один такт.
Микропроцессоры Pentium
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.). Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совме­щение тактов выполнения последовательных команд (возможно независимое выполнение сразу двух простых команд), и кэш-буфер для команд условной пе­редачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления про­грамм; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, вы­полняющим каждую команду как бы за один такт. Процессоры Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.
У всех МП Pentium имеется встроенная кэш-память, отдельно для команд, от­дельно для данных по 8-16 Кбайт, и встроенный контроллер кэш-памяти 2-го уровня (что обеспечивает работу последней на внутренней частоте МП); имеют­ся специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, существенно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой. Удачные архитектурные решения МП Pentium обусловили то, что производи­тельности микропроцессоров 486DX4-120 и Pentium-60 приблизительно одина­ковы (то есть за счет архитектуры производительность увеличилась в два раза).
Микропроцессоры Pentium Pro
В сентябре 1995 года были выпущены МП шестого поколения 80686 (Р6), торго­вая марка PentiumPro. Микропроцессор состоит из двух кристаллов: собственно МП и кэш-памяти. Но он не полностью совместим с просто Pentium и, в частно­сти, требует специальную системную плату. PentiumPro прекрасно работает с 32-битовыми приложениями, а в 16-битовых иногда даже несколько проигрыва­ет просто Pentium. Новые схемотехнические решения обеспечивают для ПК бо­лее высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение» (dynamicexecution), что, в первую оче­редь, означает наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (super­pipelining), предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiplebranchprediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculativeexecution).
В программах решения многих задач, особенно экономических, 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. Тем не менее следует сказать, что если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и за­грузить нужные команды заново, что требует довольно большого числа тактов. В процессоре PentiumPro вероятность правильного предсказания 90 % против 80 % у МП Pentium.
Кэш-память емкостью 256-512 Кбайт — обязательный атрибут высокопроизво­дительных систем на базе процессоров Pentium. Однако у них встроенная кэш­память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2-5 раз ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pen­tiumPro есть и кэш-память 1-го уровня (по 8 Кбайт для команд и данных), и кристалл кэш-памяти 2-го уровня емкостью 256 или 512 Кбайт, расположен­ный тоже на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней часто­те МП.
Хотите создать по-настоящему уникальный и прибыльный интернет-магазин, который будет привлекать клиентов?
Создание интернет-магазина поможет вам стремительно развивать свой бизнес, увеличить количество продаж, а самое главное, получать высокую прибыль!
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика
© 2014 - 2017 BigLib.info — это сокращение от Big Library (большая библиотека).
Целью создания этого сайта было сделать литературу доступной для всех, кто желает ее читать.
Использование любых материалов сайта без согласования с администрацией запрещено.
Обратная связь