Микропроцессоры
Микропроцессор (МП) - функционально законченное программно - управляемое устройство ПЭВМ, обеспечивающее арифметическую и логическую обработку данных и управление вычислительным процессом. Конструктивно МП выполнен на большой интегральной схеме, представляющей собой полупроводниковый кристалл в пластиковом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены необходимые выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции такой схемы определяется размером кристалла и количеством размещенных в нем транзисторов.
Быстродействие (производительность) микропроцессора в значительной степени зависит от тактовой чистоты и от его архитектуры. Архитектура МП определяет, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.
Для большинства задач, не требующих сложных математических вычислений, микропроцессоры осуществляют обработку только целых чисел разрядностью 8, 16 или 32 бита. Вместе с тем при решении сложных математических и физических задач, при работе с трехмерной графикой, электронными таблицами, издательскими пакетами и другими материалами важным параметром является скорость выполнения операций с плавающей запятой. Для таких задач предусмотрен специализированный математический сопроцессор, работающий параллельно с центральным МП и обрабатывающий данные с плавающей запятой. В последних разработках (начиная с 180486) центральный МП и сопроцессор реализованы в одном кристалле.
204
В системе команд микропроцессора, помимо команд, реализующих арифметические операции над числовыми данными, имеются команды пересылки данных, логические команды, команды обработки текстовых данных, передачи управления, а также появившиеся в последнее время команды обработки графических, видео - и аудиоданных (технология ММХ - Multi Media eXtention - мультимедийное расширение). Общее число команд современных микропроцессоров достигло 240.
В зависимости от реализуемой системы команд все микропроцессоры можно разделить на три группы.
- МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд.
- МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд.
- МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд.
Большинство современных ПЭВМ используют в настоящее время микропроцессоры типа CISC.
Производительность микропроцессора существенно повышается при использовании конвейерного принципа выполнения команд, при котором микропроцессор выполняет одновременно несколько следующих друг за другом команд программы. С этой целью реализация каждой команды разбивается на отдельные этапы (например, выборка команды из памяти, ее декодирование (расшифровка), выполнение, запись результата в память. При этом выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т.д.). Конвейерное выполнение команд увеличивает производительность МП в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Например, если МП Pentium имеет 5 - ступенную конвейерную архитектуру, то Pentium Pro - 14 - ступенную суперконвейерную структуру (superpipelining).
Для повышения производительности микропроцессоров используется также механизм предсказания переходов при выполнении команды условной передачи управления - так называемое "исполнение по предложению с изменением последовательности". Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, то предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, то микропроцессору приходиться вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.
В
205
микропроцессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания переходов достигает 90 %.
Производительность микропроцессора повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во Внутренней высокоскоростной регистровой КЭШ - памяти относительно небольшой емкости. Регистры КЭШ - памяти недоступны для пользователя. Отсюда и название КЭШ (Cache), что в переводе с английского означает "тайник".
В КЭШ - памяти хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные с небольшим опережением считываются из ОП и записываются в КЭШ - память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют встроенную КЭШ - память (или КЭШ - память 1 - го уровня) отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, то у Pentium Pro она достигает 256 - 512 Кбайт. Следует также иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная КЭШ - память (Кэш - память 2 - го уровня), размещенная на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких Мбайтов.
Рассмотрим теперь в обобщенном виде основы функциональной и структурной организации микропроцессоров.
В функциональном отношении МП состоит из двух частей:
- - операционной, содержащей устройство управления, арифметико - логическое устройство и микропроцессорную память (МПП);
- - интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления шиной и портами.
Устройство управления (УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПЭВМ. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ, показанная на рис. 9.4, содержит следующие основные блоки.
Регистр команд (РК) - запоминающий регистр, в котором хранится код команды, состоящий из кода выполняемой операции и адресов операндов, участвующих в этой операции.
Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в зависимости от поступающего из РК кода операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
206
Рис. 9.4. Укрупненная функциональная схема устройства управления
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках последовательности управляющих сигналов, необходимых для выполнения в блоках ПЭВМ требуемых машинных операций.
Узел формирования адреса вычисляет полный исполнительный адрес ячейки памяти или регистра внешнего устройства по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП. Он находится в интерфейсной части микропроцессора.
Кодовые шины данных, адреса и инструкций также являются частью внутреннего интерфейса микропроцессора; они сопрягаются с шинами системной магистрали с помощью соответствующих схем управления.
В общем случае УУ микропроцессора формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
- - выборки из регистра - счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
- - выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
- - расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
207
- - считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов, определяющих для всех блоков машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
- - считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов, участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
- - выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции их обработки;
- - записи результатов операции в память;
- - формирования адреса следующей команды программы.
Арифметико - логическое устройство (АЛУ) реализует арифметические и логические операции преобразования данных. Функционально АЛУ (рис. 9.5) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Рис. 9.5. Функциональная схема АЛУ
Сумматор - вычислительная схема, выполняющая сложение поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг 1) имеет разрядность двойного слова, а Рг 2 - слова.
При выполнении операций в Рг 1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершению операции - результат; в Рг 2 - второе число, участвующее в операции. Регистр 1 может и принимать информацию
208
с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, регистр 2 только получает информацию с этих шин.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от центрального устройства управления и преобразуют их в сигналы управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами, т.е. над числами, у которых запятая фиксирована после последнего младшего разряда. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично - кодированными десятичными числами осуществляется или с использованием математического сопроцессора, или по специально составленным программам.
Микропроцессорная память (МПП) - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание данных из этой памяти, измеряется наносекундами). Быстродействие МПП соответствует скорости работы микропроцессора.
Микропроцессорная память реализуется на быстродействующих регистрах, количество и разрядность которых в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП i8086 до нескольких десятков у МП Pentium.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные регистры.
Регистры общего назначения (РОН) являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации. Специальные регистры применяются для хранения определенной информации, например, адреса команды, признаков результата выполнения операций, режимов работы ПЭВМ и др.
Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования МИ с системной шиной ПЭВМ, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных исполнительных адресов операндов и команд. Интерфейсная часть содержит адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, внутреннюю интерфейсную шину МП, а также схемы управления шиной и портами ввода - вывода.
Порты ввода - вывода - это пункты системного интерфейса ПЭВМ, через которые микропроцессор обменивается данными с другими устройствами. Каждый порт, подобно ячейкам памяти, имеет свой адрес (номер). Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Всего портов у микропроцессора может быть 65536. Многие типовые устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода - вывода.
Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовых шин инструкций (КШИ), адреса (КША) и данных (КШД) системной
209
магистрали. Для организации обмена данными микропроцессор посылает по КШИ сигнал, который оповещает все устройства ввода - вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает с посланным по КША адресом, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.
Рассмотрев в общем виде структуру построения и функциональную организацию микропроцессоров, остановимся на общем состоянии современного производства и тенденциях дальнейшего развития микропроцессорной техники. Бесспорное лидерство в этом деле уже многие годы занимает фирма Intel. Большинство современных ПЭВМ, в том числе IBM PC и совместимых с ними компьютеров, комплектуются микропроцессорами именно этой фирмы. В табл. 9.2. приведены основные характеристики МП фирмы Intel.
Таблица 9.2
Характеристики наиболее распространенных МП фирмы Intel
| Модель МП | Разрядность, бит | Тактовая частота, МГц | Адресное пространство, байт | Число команд | Число элементов | Год выпуска | |
| данных | адреса | ||||||
| 4004 | 4 | 4 | 4,77 | 4 · 103 | 45 | 2300 | 1971 |
| 8080 | 8 | 8 | 4,77 | 64 · 103 | 10000 | 1974 | |
| 8086 | 16 | 16 | 4,77 и 8 | 106 | 134 | 70000 | 1982 |
| 8088 | 8; 16 | 16 | 4,77 и 8 | 106 | 134 | 70000 | 1981 |
| 80186 | 16 | 20 | 8 и 10 | 106 | 140000 | 1984 | |
| 80286 | 16 | 24 | 10 - 33 | 4 · 106 (виртуальное 109) | 180000 | 1985 | |
| 80386 | 32 | 32 | 25 - 50 | 16 · 106 (виртуальное 4 · 109) | 240 | 275000 | 1987 |
| 80486 | 32 | 32 | 33 - 100 | 16 · 106 (виртуальное 4 · 109) | 240 | 1,2 · 106 | 1989 |
| Pentium | 64 | 32 | 50 - 150 | 4 · 109 | 240 | 3,1 · 106 | 1993 |
| Pentium Pro | 64 | 32 | 66 - 200 | 4 · 109 | 240 | 5,5 · 106 | 1995 |
Фирма Intel и в настоящее время продолжает сохранять лидирующие позиции в области разработки высокопроизводительных и эффективных микропроцессоров. В числе последних разработок конца 90 - х гг. можно отметить микропроцессоры Pentium MMX, Pentium II, Celeron, Pentium III и другие, сочетающие в себе преимущества новейших микропроцессорных технологий и архитектурных решений. Компьютерная индустрия последних лет с наглядной очевидностью подтверждает закон, сформулированный еще в 60 - е годы одним из основателей компании Intel Гордоном Муром, согласно которому мощность процессора (микропроцессора) будет удваиваться каждые 24 месяца.
210
Несмотря на лидерство фирмы Intel на рынке микропроцессоров, в настоящее время ряд других фирм также производят аналогичные устройства, конкурирующие с изделиями Intel. Значительных успехов в этом деле достигли, например, фирмы Cyrix и AMD (Advanced Micro Devices). Так, микропроцессоры M1 и М2 фирмы Cyrix, а также К5, Кб, К7 фирмы AMD имеют характеристики аналогичные, а некоторые из них превосходящие характеристики МП Pentium.
211
204 :: 205 :: 206 :: 207 :: 208 :: 209 :: 210 :: 211 :: Содержание
