Архітектура комп'ютерів

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 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 могут применяться 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.

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.

 

Таблица 8.1. Характеристики некоторых CISC МП

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 и  8	106	-	70 000; 3 мкм	-	-	1979
8088	8, 16	16	4,77 и  8	106	-	70 000; 3 мкм	-	-	1978
80186	16	20	8 и  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•109	Базовый	3,3 •  106; 0,5, 0,35 мкм	8 + 8	5 В; Socket 5	1993
PPentium Pro	64	32	150-200	4•109	Базовый	5,5 •  106; 0,5, 0,35 мкм	8 + 8	5 В; Socket 8	1995

 

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
Pentium ММХ	64	36	166- 233	64 •  109	Базовый + 57 (ММХ)	5 •  106; 0,35 мкм	16+16	2,8 В; Socket 7	1997
Pentium II (Katmai)	64	36	233- 600	64 •  109	ММХ + (ММХ2)	7,5 •  106; 0,25 мкм	16+16 512F/2	2,0 В; Slot 1	1997
Celeron (Mendocino)	64	32	300- 800	4•109	ММХ2	19 • 106; 0,25, 0,22 мкм	16+16 128F	2,0 В; Slot 1, Socket 370	1998
Pentium III (Coppermine)	64	36	500- 1000	64 •  109	ММХ + 70	28 •  106; 0,18 мкм	16+16 256F	1,65 В; Slot l, Socket 370	1999
Pentium III Xeon	64	36	500- 1000	64 •  109	ММХ2	30 •  106; 0,18, 0,13 мкм	16+16 256-2048F	1,65 В; Slot 2	1999
Pentium 4 (Willamette)	64	36	1000 3500	64•  109	ММХ2 + 144	42 •  106; 0,13 мкм	8+8 256F	1,1- 1,85 В Socket 423, 478	2000
Pentium 4 Northwood	64	36		64 •  109		55 •  106; 0,13 мкм			2001
Pentium 4E Prescott	64	36	2800 3600	64 • 109	+13	125 • 106; 0,09	1024 F	Socket 478, LGA 775 Strained SiCu	2003
Pentium 4 Extreme Edition, Gallatin	64	36	3200 - 3400	64 •109		178 •  106; 0,09	2048 F	1,6 В Socket 478, LGA 775 Strained  Si Cu	2004

Условные обозначения в столбце  «Состав команд»: «Базовый +», «ММХ2», «ММХ +» означают, что имеется несколько дополнительных 32-битовых инструкций группы SSE (Streaming SIMD Extention). Символ F у кэш-памяти уровня L2 означает, что память работает на частоте процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора.

 

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 сверхбольшим командным словом;

□   MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.

 

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 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.

 

Следует знать, что:

□   у микропроцессоров 80386 и 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и т. д., отличающиеся от базовой  модели разрядностью шины, тактовой частотой, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами;

□   микропроцессоры Pentium, Pentium II, Pentium III 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 в вычислительной сети;

□  у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопро-граммность) и сопутствующая ей защита памяти. Современные микропроцессоры имеют два режима работы.

О 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, поддерживается операционной системой DOS;

О 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 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).