Процессоры
Процессоры
Министерство высшего образования РФ
ПГТУ
Кафедра СДМ
Самостоятельная работа
Тема: «Процессоры»
Выполнил: студент группы СДМуск.-03
2-го курса
Пьянков АВ
Проверил:
Кычкин ВИ
2004
План
стр
1 Назначение устройства
......................................................3
2 Технические характеристики некоторых 32-разрядных
микропроцессоров..............................................4
3 Конструктивное выполнение...........................................7
4 Цена и другие
показатели................................................8
5 Рекомендации пользователю при выборе....................10
6 Сравнительная оценка структур и архитектур сов- 12
местимых 32-разрядных микропроцессоров.
6 Перспективы развития микропроцессоров.................14
7 Список используемой литературы................................16
Назначение устройства.
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 ультра
большие ( МИС, СИС, БИС и УБИС соответственно ). Все больше и
больше транзисторов удавалось поместить на всё меньших и меньших по
размерам кристалах. Следовательно ультра большая 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. )
Технические характеристики 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.
Конструктивное выполнение.
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-
Страницы: 1, 2
|