Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Московский государственный университет

экономики, статистики и информатики

(ММУБиИТ)

Кафедра вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций.

[pic]

Курсовая работа на тему: “ Анализ структур, характери

стик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров”.

Выполнил: студент группы ИБ-104

Белых А. В.

Руководитель: Пятибратов А.П.

Москва 1997

План

стр

1

Введение....................................................................

.............3

2 Обзор некоторых 32-разрядных

микропроцессоров............................................................

...................................4

3 Общий обзор структур,характеристик и архитектур 32-разрядных

микропроцессоров.........................................8

4 Выбор показателей для оценки микропроцеров.........11

5 Сравнительная оценка структур и архитектур совместимых 32-разрядных

микропроцессоров.................12

6 Перспективы развития микропроцессоров.................14

7 Список используемой литературы................................17

Введение.

За время существования электронная промышленность пережила немало

потрясений и революций. Коренной перелом - создание электронных микросхем

на кремниевых кристаллах, которые заменили транзисторы и которые назвали

интегральными схемами. Со времени своего появления интегральные схемы

делились на: малые, средние, большие и ультрабольшие ( МИС, СИС, БИС и

УБИС соответственно ). Все больше и больше транзисторов удавалось

поместить на всё меньших и меньших по размерам кристаллах. Следовательно

ультрабольшая интегральная схема оказывалась не такой уж большой по размеру

и огромной по своим возможностям. Поэтому процессоры созданы именно на

основе УБИС . Развитие микропроцессоров в электронной индустрии проходило

настолько быстрыми темпами, что каждая модель микропроцессора становилась

маломощной с момента появления новой модели, а ещё через 2-3 года

считалась устаревшей и снималась с производства.

Каждый микропроцессор имеет определённое число элементов памяти, называемых

регистрами, арифметико-логическое устройство ( АЛУ ) , и устройство

управления.

Регистры используются для временного хранения выполняемой команды,

адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации

микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает

необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и

связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС,

отличающихся структурой, техническими характеристиками и функциональными

возможностями : секционированные с наращиванием разрядности и

микропрограмным управлением ; однокристальные микропроцессоры и

однокристальные микроЭВМ с фиксированной разрядностью и системой команд.

Вместе с периферийными БИС , выполняющими функции хранения и ввода-вывода

данных , управления и синхронизации, сопряжения интерфейсов и. т. д.,

микропроцессоры составляют законченные комплекты БИС.

Секционированные микропроцессорные комплекты ( МПК ) допускают

наращивание параметров ( прежде всего разрядности обрабатываемых данных ) и

функциональных возможностей. Секционированные МПК ориентированы в основном

на применение в универсальных и специализированных ЭВМ, контроллерах и

других средствах вычислительной техники высокой производительности.

МПК на основе однокристальных микропроцессоров и однокристальные

микроЭВМ, обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд

и большими функциональными возможностями, ориентированны на широкое

применение в различных отраслях народного хозяйства.

На данный момент существует два направления в производстве

микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое

направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers

) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее

употребимых команд, определённый в результате статистического анализа

большого числа программ для основных областей применения CISC - процессоров

исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый

формат. Обращение к памяти выполняется с помощьюспециальных команд загрузки

регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет

реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при

небольшом обьёме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает

высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить

тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более

элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше

частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на

реализацию всех возможностей ускорения арифмктических операций, поэтому их

конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC -

процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же

тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и

высокопроизводительней, несмотря на больший обьём программ, на ( 30 % ).

Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

Любая операция далжна 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.

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, характарных для микропроцессора первого поколения, до

значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных

микропроцессоров типа 80486, 68040 и др. )

Обзор некоторых 32-разрядных микропроцессоров.

Обзор начнём с процессоров RISC - архитектуры.

Микропроцессоры Alpha.

Проект Alpha фирмы Digital Equipment был ориентирован на передовую

технологию ( 0,8 - микронная технология ) , перспективную архитектуру и

обработку 64 - разрядных приложений в среде Unix. Несколько позднее

платформа Alpha AXP была дополнена средствами поддержки операционной

системы Microsoft Windows NT.

Первым процессором семейства Alpha AXP стал микропроцессор 21064,

выполненный по 0,75 - микронной технологии, содержащим 1,68 млн.

транзисторов. Тактовая частота ( до 200 Мгц ) и суперскалярная обработка

позволии этому процессору обойти всех конкурентов по производительности.

В 1994 г Digital Equipment выпустила модификацию процессора 21064 -

модель Alpha 2164А с тактовой частотой 275 МГц.

В 1993 г , из-за высокой цены ( более 2000 usd ) вышеупомянутых

процессоров, эта корпорация выпустила процессоры Alpha 2166 и 2168 ( 200

-350 usd ) с тактовой частотой 66-233 МГц.

Микропроцессоры PowerPC.

В 1992 г компании IBM, Motorola и Apple приняли решение осоздании

семейства RISC - процессоров широкого профиля. За основу проекта был взят

процессор POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) .

PowerPC 601- это 32- разрядный процессор тактовой частотой 50,66 или 80

МГц был выполнен по 0,8 -микронной технологии.

Дальнейший шаг - PowerPC 603 с тактовой частотой 66 и 80 Мгц, в котором

та же структура была реализована в более миниатюрном исполнении.

PowerPC 604 выполнен по 0,5 - микронной технологии с тактовой частотой

100 МГц.

Микропроцессоры ARM фирмы Acorn.

Первые МП типа ARM (Acorn Risc Machine) разработаны в 1985 г.

разработанный в последнее время 32- разрядный МП ( на базе 30-мкм

техналогии CMOS ) имеет следующие характеристики: 27 тыс. транзисторов, 4-8

Мгц тактовой частоты, 32- разрядную шину данных, производительность- 10 млн

оп/с.

Микропроцессоры CISC - архитекруры.

Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.

МП ориентирован на широкий спектр применения и имеет следующие

характеристики: 26 Мгц -тактовая частота,производительность - 25 млн оп/с.

Микропроцессоры фирмы Intel.

В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором

он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

Микропроцессор i80386.

Микропроцессорный набор 80386 включает следующие схемы: 80386-

быстродействующий 32-разрядный микропроцессор с 32- разрядной внешней

шиной; 80387 - быстродействующий 32-разрядный математический сопроцессор;

82384 - генератор тактовых сигналов; 82385 - контроллер кеш-помяти,

82307 - арбитр магистрали, 82308 - контроллер магистрали и.т.д.

МП 80386 оптимизирован для многозадачных операционных систем и прикладных

задач, для которых необходимо высокое быстродействие.Главной его

особенностью является аппаратная реализация так называемой многосистемной

програмной среды, обеспечивающей возможность совместной работы разнородных

програм пользователей, ориентированных на разные операционные системы (

UNIX, MS DOS, APX 86 ). МП 80386 обеспечивает програмную совместимость

снизу вверх по отношению к 16- разрядным МП. МП имеет следующие

характеристики: 16, 20 , 25, 33 Мгц -тактовая частота, производительность

4 млн команд в секунду, 32 Мб/с- пропускная способность шины.

Микропроцессор i486.

Микропроцессор содержит более 1 млн. транзисторов.Микропроцессорный набор

включает в себя следующие микросхемы: 80486 - быстродействующий 32-

разрядный процессор; 82596СА - 32- разрядный сопроцессор LAN; 82320 -

контроллер магистрали Micro Channel ( MCA ); 82350 - контроллер

магистрали EISA и.т.д.

Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю

кэш-память 8 КВ со сквозной записью (у DX4 -16 КВ). Модели SX не имеют

встроенного сопроцессора. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего

удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-

мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие

практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-

памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 - 486DX4-

75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые

платы. По производительности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-

60/66, причем быстродействие компьютеров на 486DX4-100 вплотную

приближается к показателям Pentium 60. Напряжение питания составляет3,3

вольта, то есть их нельзя устанавливать на обычные системные платы.

486DX4-100 в настольных системах. К сожалению, Intel ограничивает

поставки процессоров 486DX4-100, а цены на них установил на существенно

более высоком уровне, чем на Pentium 60, чтобы избежать конкуренции между

собственными продуктами.

Микропроцессоры фирмы АМD.

Фирма AMD производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готовятся к выпуску

процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120. Они обеспечивают полную совместимость со

всеми ориентированными на платформу Intel программными продуктами и такую

же производительность, как и аналогичные изделия фирмы Intel (при

одинаковой тактовой частоте). Кроме того, они предлагаются по более низким

ценам, а процессор на 40 MHz отсутствующий в производственной программе

Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по произ- водительности на20

процентов при меньшей стоимости.

Микропроцессоры фирмы Cyrix.

Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX и 486DX 2) на

тактовые частоты 33 м 40 MHz, а также с удвоением частоты DX2-50 и DX2-

66. Они имеют более быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с

обратной записью и более быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым

операциям производительность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по

некоторымнесколько ниже. Соответственно, существенно различаются и

результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix

значительно ниже, чем на Intel и AMD.

Для самых простых систем фирмой Texas Instruments продолжается выпуск

дешевых, но эффективных процессоров 486DLC, которые, занимая промежуточное

положение между 386 и 486 семейством (они выполнены в конструктиве 386

процессора, обеспечивают производительность на уровне 486 процессора при

цене 386. Новая версия - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней кэш-

памятью еще ближе приближается к характеристикам 486 семейства.

Микропроцессоры фирмы Моtorola серии МС680ХХ.

Это семейство содержит ряд 16 -разрядных микропроцессоров, 32 -разрядные

микропроцессоры : 68020, 68030, 68040. Модели микропроцессоров серии 680ХХ

не совместимы по обьектным кодам с 8 -разрядными микропроцессорами серии

МС68ХХ.

В 32 -разрядных микропроцессорах наряду с обеспечением совместимости с 16

-разрядными существенно расширены функциональные возможности : расширение

режимов совместимости, масштабирование в ряде режимов ( т.е умножение

содержимого индексного регистра на 1, 2, 4 или 8 ) + 16 новых команд

процессора и 7 команд сопроцессора. Основные характеристики : тактовая

частота 16, 20, 30, 25, 40 ; разрядность АЛУ - 32 ; разрядность шин данных

и адреса - 32.

На кристаллах МП отсутствует блок управления внешней оперативной памятью.

Управление оперативной памятьюсо страничной организацией осуществляется с

помощью микросхемы МС68851.

Отечественные микропроцессоры.

32 - разрядные микропроцессоры серии “ Электроника ” и СМ ЭВМ.

Основные архитектурные особенности : виртуальное адресное пространство

ёмкостью 4 Гбайт; 32 -разрядное слово; 32 уровня прерывания ( 16 -

векторных аппаратных и 16 програмных ); 21 режим адресации; инструкции

переменного формата; поддержка совместимости с16 - разрядными моделями

серии “ Электроника “.

Микропроцессоры типа транстьютеров.

Транстьютеры представляют собой микропроцессоры, расчитанные на работу в

мультипроцессорных системах с однотипными процессорами и аппаратную

поддержку вычислительных процессов. Особенностью транстьютеров является

наличие коммуникационных быстрых каналов связи, каждий из которых может

одновременно передавать по одной магистрали данные в процессор, а по другой

- данные из него. В составе команд транстьютеров имеются команды управления

процессами, поддержки инструкций языков высокого уровня. Транспьютеры

главным образом применяются в качестве сопроцессоров ПЭВМ.

Транспьютеры фирмы INMOS.

Типичными транспьютерами являются модели Т414 и Т800.

Модель Т414 содержит 6 32-разрядных регистров, три регистра стека,

счётчик команд, регистр адреса рабочей зоны памяти, регистр операнда.

Общее число команд МП равно 111, режимов адресации - 1, коммуникационных

каналов связи - 4, скорость передачи по кождому каналу 20 Мбит/с.

Модель Т800 содержит дополнительно сопроцессор арифметических операций с

плавающей точкой с быстродействием до 2,25 млн. опер.сек.

Системы програмирования транспьютеров в основном включают трансляторы с

языков высокого уровня Паскаль, Си, Фортран.

Некоторые характеристики транспьютеров фирмы INMOS : разрядность - 32,

скорость обработки данных - 40 Мбайт/с, адресуемое пространство - 4 Гбайт.

Общий обзор структур,характеристик и архитектур

32-разрядных микропроцессоров.

Cтруктуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с

точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются

архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных,

быстродействие.

Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП.

Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали

МП с 8- разрядной архитектурой, а современные МП основаны на МП с 16 и 32-

разрядной архитектурой.

Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали

последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция

начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-

разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при

которой одновременно с выполнением текущей команды производятся

предварительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32-разрядной

архитектурой используется коивейерный метод выполнения команд, при котором

несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя

одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров

и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются

из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68

Кбайт памяти. В 16-разрядные МП, как правило, используются 20-разрядные

адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП

используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт

до 4 Гбайт памяти.

Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных,

разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины

данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней

аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем

внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной

архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляот собой

Страницы: 1, 2