Характеристика видов процессоров

Цифровой компьютер состоит из связанных между собой процессоров, модулей памяти и устройств ввода-вывода, которые составляют архитектуру вычислительной системы.

Ядром любой вычислительной системы является микропроцессор или просто процессор (от английского processor). Перевести на русский язык это слово правильнее всего как «обработчик», так как именно микропроцессор — это тот узел, блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы. Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т. д. Процессор заменяет практически всю «жесткую логику», которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т. д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т. д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен. Процессор можно сравнить с мозгом системы.

В данной курсовой работе будут рассмотрены основные понятия и принципы работы процессора, эволюция и развитие архитектуры универсальных микропроцессоров на примере микропроцессоров фирмы Intel, а так же новые направления в развитии микропроцессоров.

Цель — рассмотреть характеристики видов процессоров в их историческом развитии.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АРХИТЕКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

1.1 Основные понятия и принцип работы процессора

1.1.1 Понятие центрального процессора

Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Процессор состоит из нескольких частей — блока управления и арифметико-логического устройства (АЛУ). Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое «И»).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. В регистре команд находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

На рис. 1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией.

Рис. 1. Схема компьютера с одним процессором и двумя устройствами ввода/вывода

1.1.2 Устройство центрального процессора

Для выполнения команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU — Arithmetic Logic Unit), мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора. То есть процессор представляет собой довольно сложное цифровое устройство (рис. 2).

Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства (АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ и там находятся, пока АЛУ производит вычисления. АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохранятся в памяти, если это необходимо. Следует отметить, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.

Рис. 2. Пример структуры простейшего процессора.

Большинство команд можно разделить на две группы: типа регистр-память и типа регистр-регистр. Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ (слова — это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами). Словом может быть целое число. Другие команды этого типа помещают регистры обратно в память.

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров.

1.2 Архитектура микропроцессора

1.2.1 Понятие микропроцессора

Появление технологии интегральных микросхем — новый этап в развитии вычислительной техники. В результате разработки процессоров на основе микросхем — размеры и форма цифровых ЭВМ значительно уменьшились.

Микропроцессор (МП) — это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970;х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Степень интеграции схем (в ГОСТе):

— интегральная схема с низкой степенью интеграции <10 транзисторов;

— схема со средней степенью интеграции < 100 транзисторов;

— большая интегральная схема (БИС) > 100 транзисторов (~ 1000 транзисторов)

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой — электронным прибором, изделием электронной промышленности.

1.2.2 Типы архитектур микропроцессоров

Как средство вычислительной техники микропроцессор характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.).

По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 3).

Рис. 3. Классификация микропроцессоров

1.2.3 Универсальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Характеристики универсальных микропроцессоров:

— разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

— виды и форматы обрабатываемых данных;

— система команд, режимы адресации операндов;

— емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

— частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в «спящий режим», при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

— производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISCи RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (completed instruction set computing — вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микропроцессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing — вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь, прежде всего, следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21×64, Power PC. Количество команд в системе команд — наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

1.2.4 Однокристальные микроконтроллеры

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. ЗУ — это запоминающее устройство. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода). Иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров, прежде всего, относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров [4]:

— физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;

— упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;

— простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51) [4]:

1. Разрядность (8 бит).

2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:

— внутренняя память команд — 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;

— память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).

3. Тактовая частота:

— внешняя частота 12 МГц;

— частота машинного цикла 1 МГц.

4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

1.2.5 Секционные микропроцессоры

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) — это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:

- разрядное секционное АЛУ;

— блок ускоренного переноса;

— разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;

— типа схем микропрограммного управления;

— контроллер состояния и сдвига;

— контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.

1.2.6 Процессоры цифровой обработки сигналов

Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов — обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микро контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

1.3 Параметры микропроцессора

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие [4]:

1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания ±15 В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.

3. Мощность рассеяния — это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.

4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.

5. Тип корпуса — позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.

6. Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:

— коммерческий (0 0С … +700С);

— расширенный (-40 0С … +85 0С).

7. Помехоустойчивость — определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.

8. Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.

9. Надежность — это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших интегральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.

10. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь — разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

11. Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Затраты на производство микропроцессорной системы

Здесь:

1) затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);

2) затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);

3) общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;

4) переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

Глава 2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

2.1 Эволюция архитектуры процессоров

Сотрудник компании Intel Маршиан Эдвард Хофф в 1970 году сконструировал интегральную микросхему, которая по функциям аналогична центральному процессору большой ЭВМ — это был первый микропроцессор Intel-4004. В 1971 году, 15 ноября, он поступил на рынок электронной техники и этот день считают началом новой эры в электронике.

Особенностью МП Intel-4004 были размеры и производительность. Несмотря на маленький размер — менее 3 см, он превосходил по производительности супер ЭВМ ENIAC. Правда, он мог обрабатывать всего 4 бита информации (в то время, как, процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но стоимость его была в десятки тысяч раз меньше.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема кристалла включала 2300 транзисторов, тактовая частота составляла 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел три регистра стека типа LIFO, счетчик команд (адресный стек), блок регистров сверхоперативной памяти — РОНов, аккумулятор, 4-разрядное АЛУ, регистр команд, включающий дешифратор команд и схему управления, а также схему связи с внешними устройствами. Функциональные узлы объединялись на кристалле между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд составляла 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ мини ЭВМ редко был больше, чем 16 Кбайт), а блок РОНов насчитывал шестнадцать 4-разрядных регистров, которые использовали и как восемь 8-разрядных. Такая организация была сохранена и в следующих реализациях микропроцессоров фирмы Intel. Три регистра стека предоставляли три уровня вложенности подпрограмм. МП i4004 монтировался в металлокерамический или пластмассовый корпус DIP (Dual In-line Package) с 16 выводами.

В системе команд МП было всего 46 инструкций. Кроме того, у кристалла были ограничены средства ввода/вывода, а система команд не имела в своем составе логические операции для обработки данных (AND, OR, XOR), Решалась данная проблема путем использования специальных подпрограмм. В модуле i4004 отсутствовала команда HALT (останов) и обработка прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

Впоследствии этой же фирмой был выпущен еще один 4-разрядный микропроцессор — I-4040.

На протяжении многих лет крупнейшими разработчиками и производителями универсальных микропроцессоров в мире являются компании Intel (70−75% мирового производства) и Advanced Micro Devices (AMD), занимающая 20−25% рынка. Их разработки идут во многом параллельными путями. В 1972 году на рынке появился 8-разрядный МП I-8008, а вслед за ним, в 1974 году, — I-8080. Последний микропроцессор сыграл значительную роль в развитии микропроцессорной техники. Во многом он заложил основы архитектуры для всех последующих поколений микропроцессоров. Он имеет раздельные 8-разрядную шину данных и 16-разрядную шину адреса, возможность подключения памяти емкостью до 64 Кбайт и до256 внешних устройств. Микропроцессор содержит 16-разрядные указатель команд (Instruction Pointer — IP) и указатель стека (Stack Pointer — SP), шесть 8-разрядных регистров общего назначения (РОН), которые могут использоваться как три 16-разрядные. Система команд состоит из 78 базовых команд. При загрузке операнда из памяти применяется прямая, косвенная регистровая или стековая адресация. В общем случае программист может использовать регистровую, прямую, косвенную, непосредственную, индексную, прямую и косвенную автоинкрементную и автодекрементную адресации.

Микропроцессор содержит входные и выходные интерфейсные сигналы, обеспечивающие реакцию на сигналы запросов внешних прерываний, организацию прямого доступа к памяти, а также согласование своего цикла работы с медленными внешними устройствами (ВУ).

Его отличительной чертой стало создание микропроцессорного комплекта или семейства, то есть набора БИС, совместимых между собой по интерфейсным сигналам и функционально дополняющих друг друга. В нашей стране этот микропроцессорный комплект выпускался в составе серии К580.

БИС данного микропроцессорного комплекта вследствие хороших архитектурных решений, широкой номенклатуры и совместимости до сих пор можно встретить в некоторых цифровых устройствах, не требующих высокого быстродействия и разрядности, а идеи, заложенные в таких схемах, как контроллер прерываний и контроллер прямого доступа к памяти, используются в современных наборах системной логики — чипсетах.

Очередным крупным шагом в развитии микропроцессорной техники стало появление в 1978 году 16-разрядных универсальных микропроцессоров. Здесь, прежде всего, следует выделить микропроцессор I-8086, выпускавшийся отечественной электронной промышленностью в составе семейства К1810. Эти микропроцессоры, заложившие основы архитектуры x86, использовались при производстве первых персональных ЭВМ.

Основными отличительными чертами в архитектуре этого микропроцессора стали:

— увеличение разрядности регистров общего назначения до 16 бит;

— увеличение количества регистров общего назначения до 8;

— увеличение количества режимов адресации операндов;

— расширение количества флагов в регистре признаков, в том числе за счет введения флагов управления, обеспечивающих, например, возможность запрета внешних маскируемых прерываний;

— появление сегментного механизма обращения к памяти, который обеспечил возможность обращения к памяти емкостью до 1 Мбайт при использовании 16-разрядных регистров.

Появившийся вслед за этим в 1982 году микропроцессор i286 явился переходной ступенью к 32-разрядным универсальным микропроцессорам. В процессоре i286 было реализовано два режима работы — защищенный и реальный. В реальном режиме работы процессор был полностью совместим с выпускавшимися ранее 16-разрядными микропроцессорами с архитектурой x86. В формировании адреса участвовали только 20 линий, поэтому максимальная емкость адресуемой памяти в этом режиме осталась прежней — 1 Мбайт. В защищенном режиме процессор мог адресовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Шина адреса увеличена до 24 бит, поэтому емкость адресуемой памяти составляла 16 Мбайт. Для защиты от несанкционированного доступа к программам и данным и выполнения привилегированных команд, которые могут кардинально изменить состояние всей системы, в процессоре i286 была введена защита по привилегиям. С этой целью микропроцессор поддерживал 4 уровня привилегий. Для выполнения операций над числами с плавающей точкой была разработана отдельная БИС — математический сопроцессор 80 287.

В 1985 году был выпущен 32-разрядный универсальный микропроцессор i386 — первый полноценный представитель архитектуры IA-32 (Intel Architecture-32). Развитие этой архитектуры продолжалось вплоть до последних моделей микропроцессора Pentium 4. Данную архитектуру отличает ряд изменений, некоторые из которых имеют чисто количественное значение, а другие носят принципиальный характер.

Главным внешним отличием является увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это, в свою очередь, связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора.

Большие качественные изменения произошли на уровне работы микропроцессора в защищенном режиме, который был существенно развит по сравнению с i286. Отметим основные черты этого режима.

1. Принципиально меняется механизм формирования физического адреса. Прежде всего, изменяется механизм использования сегментированной памяти. Сегменты в защищенном режиме могут иметь произвольную длину и располагаться в памяти начиная с произвольного адреса. Каждый сегмент снабжается рядом атрибутов (базовый адрес, длина сегмента, его тип, уровень защиты и т. п.), которые хранятся в специальной структуре, называемой дескриптором сегмента, и используются блоком управления памятью микропроцессора при формировании физических адресов операндов и команд. Появляется возможность использования страничного механизма организации памяти. Страница — это раздел памяти, который, в отличие от сегмента, имеет фиксированную длину. Страничная организация памяти служит основой виртуальной памяти и обеспечивает более эффективное, по сравнению с сегментной, использование памяти.

2. Организуется аппаратная поддержка мультипрограммного режима работы, при котором в памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. Каждой задаче предоставляется свой <�виртуальный процессор>. В каждый момент времени реальный процессор предоставляется одному из виртуальных процессоров, выполняющему свою задачу.

3. С целью обеспечения защиты информации и упрощения организации мультипрограммного режима работы микропроцессор снабжается специальными механизмами, определяющими, какие операции и обращения к памяти разрешается производить процессору при выполнении текущей задачи.

2.2 Эволюция развития микропроцессоров Intel

процессор центральный архитектура цифровой

За время, прошедшее после появления первого 32-разрядного микропроцессора, только фирмой Intel было выпущено несколько десятков модификаций 32-разрядных МП. Изменения в некоторых моделях носили принципиальный характер, а ряд моделей содержали в основном лишь количественные изменения отдельных параметров (частота, емкость кэш-памяти и т. п.). Основные этапы развития этой архитектуры, которые носят принципиальный характер, представлены в табл.1.

Таблица 1. Этапы развития архитектуры процессора Intel

Примечания: ФТ*- числа с фиксированной точкой, ПТ**- числа с плавающей точкой Остановимся вкратце на их рассмотрении.

К основным нововведениям микропроцессора i486, выпущенного в 1989 году, относятся два, которые связаны с расширившимися технологическими возможностями. Это размещение непосредственно на кристалле БИС двух важных блоков, которые раньше выполнялись в виде отдельных микросхем: кэш-памяти и блока процессора обработки чисел с плавающей точкой (floating point unit — FPU). Кэш-память имела объем 8Кбайт и предназначалась для хранения программ и данных. FPU имел внутренний файл из восьми 80-разрядных регистров, свой регистр состояния и управления.

Главной отличительной чертой нового продукта в линейке 32-разрядных микропроцессоров — МП Pentium — явилась возможность конвейерной обработки информации. Хотя некоторые авторы считают, что конвейер появился уже в i486, это не является общепринятым мнением.

Высокая скорость выполнения команд в МП Pentium достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных. Появление конвейера обусловило необходимость введения еще одного блока — схемы предсказания переходов. Эффективная работа данной схемы чрезвычайно важна для повышения производительности микропроцессора. Все последующие модификации микропроцессоров непременно связаны с улучшением ее работы.

Основным нововведением разработанного в 1997 году микропроцессора Pentium MMX стал блок, обеспечивавший новую схему обработки целочисленной информации — SIMD (Single Instruction — Multiple Data: одна команда — множество данных). До этого обработка велась по классической схеме SISD: каждая команда выполняла действия над своей парой операндов.

Введение

SIMD-операций позволило обрабатывать одновременно несколько операндов с использованием одной команды, что дало возможность существенно поднять производительность микропроцессора на тех задачах, где над большими массивами однородной информации выполнялись одинаковые операции, например, в мультимедий ных приложениях. Появление таких возможностей потребовало введения в систему команд 57 новых инструкций, но регистровая структура микропроцессора не изменилась.

Микропроцессор Pentium III, появившийся в 1999 году, позволил обрабатывать по схеме SIMD не только целочисленные операнды, но и числа с плавающей точкой. Для этого система команд была расширена на 70 инструкций, а в структуре микропроцессора появился специальный блок SSE, содержащий, в частности, отдельный регистровый файл из восьми 128-разрядных регистров. Еще одной новинкой, использованной в Pentium III, было размещение на кристалле кэш-памяти второго уровня (начиная с ядра Coppermine), работающей на частоте ядра. Но это носило скорее количественный характер и не внесло существенных изменений в архитектуру.

Микропроцессор Pentium 4 завершает линейку 32-разрядных микропроцессоров. Основным вкладом этого микропроцессора в развитие архитектуры IA-32 стало еще большее увеличение глубины конвейера — до 31 стадии, что позволило сильно нарастить частоту процессора. Количество конвейеров возросло до 9. Кроме поддержки ставших традиционными инструкций MMX и SSE, в Pentium 4 добавили еще 144 команды SSE2, затем и SSE3, ориентированные в первую очередь на работу с потоковыми данными.

В 2001 году фирмой Intel был выпущен микропроцессор Itanium, положивший начало новой 64-разрядной архитектуре — IA-64, которая сменила архитектуру 32-разрядных микропроцессоров IA-32, господствовавшую на протяжении более 15 лет.

2.3 Основные направления развития архитектуры универсальных микропроцессоров

процессор центральный архитектура цифровой

Развитие микропроцессорной техники в области универсальных микропроцессоров идет по пути постоянного повышения их производительности. Традиционными направлениями такого развития являются повышение тактовой частоты работы МП и увеличение количества одновременно выполняемых команд за счет увеличения числа конвейеров (исполнительных устройств) в МП.

Однако оба эти направления следует признать экстенсивными, имеющими естественные ограничения.

Повышение тактовой частоты, которое в основном обеспечивается путем увеличения количества ступеней в конвейере, приводит к большим потерям времени при необходимости перезагрузки конвейера вследствие конфликтов по управлению или при переключении на новую задачу. Такое увеличение имеет также и физические ограничения, связанные со схемотехникой кристалла БИС. Ограничения определяются также влиянием накладных расходов при передаче частично обработанной команды на следующую ступень конвейера. На больших частотах эти расходы становятся соизмеримыми с длительностью обработки на очередном этапе. Во многом это направление исчерпало себя в микропроцессоре Pentium 4, работающем на частотах, близких к 4 ГГц.

Повышение производительности за счет увеличения числа конвейеров в микропроцессоре можно оценить увеличением числа команд, выполняемых программами за такт (IPC — INsTRuctions Per Cycle). Так, для МП Alpha 21 264 этот показатель равен 6, столько же микроопераций за такт может выдать Pentium 4. Но это предельные значения, а реальные программные коды, в частности, из-за различных взаимозависимостей, дают гораздо более низкое значение IPC. Дальнейшее увеличение числа исполнительных устройств ведет к усложнению расположенного в БИС устройства управления, распределяющего команды по конвейерам, а также к сложным взаимозависимостям между данными. К тому же реальные коды программ не позволяют обеспечить эффективную загрузку всех имеющихся в МП исполнительных устройств, что приводит к их простоям. Следует отметить также, что рост производительности микропроцессора не является прямо пропорциональным росту количества конвейеров, а обычно существенно ниже.

В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, представленные в таблице 2.

Таблица 2. Основные направления повышения производительности МП

Рассмотрим эти направления подробнее.

Направление CMP обеспечивается возросшими технологическими возможностями, которые позволяют создать на одном кристалле несколько микропроцессоров и организовать их работу по принципу мультипроцессорных систем.

Производители чипов уже не гонятся за частотой, сместив акцент на многоядерную архитектуру, которая позволяет наращивать производительность, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение.

При таком подходе задача повышения производительности работы отдельных приложений требует распараллеливания последних, то есть проблема перемещается с аппаратного на программный уровень. На данный момент сложности заключаются в том, что большая часть существующего программного обеспечения создавалась без расчета на использование в многоядерных и многопроцессорных конфигурациях. Другими словами, прогресс в области аппаратных средств на какое-то время опередил прогресс в области программного обеспечения.

80-ядерный процессор от фирмы INTel Polaris

Микропроцессор построен по технологии 65 нм из 100 млн транзисторов на кристалле площадью 275 мм². Для сравнения: двухъядерный Intel Core 2 ExTReme, также с технологическими нормами 65 нм, содержит 291 млн транзисторов на площади 143 мм². Разница обусловлена малым количеством памяти на кристалле нового МП и доминированием логических схем и схем ввода-вывода, размер которых трудно минимизировать. Большое внимание в нем уделено новому показателю, который занимает все более главенствующее положение, — производительность/ватт. По этому показателю Polaris обеспечивает чрезвычайную энергоэффективность: 16 гигафлопс/Вт. Процессор работает при напряжении питания 0,95 В.

Согласно заявлению представителей Intel, достигнутые показатели отнюдь не являются предельными. Инженеры компании могут значительно увеличить производительность процессора за счет увеличения его тактовой частоты. Так, например, на частоте 5,1 ГГц процессор демонстрирует 1,63 терафлопс, а на частоте 5,7 ГГц — 1,81 терафлопс. Однако с ростом тактовой частоты растет и потребляемая мощность, составляя при вышеуказанных режимах работы 175 и 265 ватт соответственно.

Polaris представляет собой 80 одинаковых процессорных элементов, каждый из которых состоит из вычислителя и маршрутизатора на 6 портов. Вычислитель содержит 2 устройства для операций умножения с накоплением (FP MultIPle-Accumulator, FPMAC), 3 Кбайт памяти команд и 2Кбайт памяти данных, набор 32-разрядных регистров и оперирует 96-разрядными сверхдлинными словами команд (Very Long INsTRuction WordVLIW). Планирование и параллельное выполнение команд возлагается на компилятор (архитектура EPIC, аналогичная реализованной разработчиками Intel и в процессоре Itanium). Она позволяет процессору исполнять до восьми команд за один такт. По своему набору инструкций новый микропроцессор несовместим с x86.

Эффективность многоядерных процессоров во многом определяется пропускной способностью памяти системы. Применение многоканальных шин памяти и повышение их частоты сопряжено с чрезмерным усложнением контроллеров. Другой путь уменьшения задержки — ввести еще один уровень иерархии кэш-памяти. Однако это приведет к неоправданному увеличению памяти на кристалле, площадь которого эффективнее использовать для вычислительной логики. Несколько мегабайт дополнительной кэш-памяти занимают площадь, достаточную для 10 процессорных ядер. Такой подход обеспечит широкий доступ ядер процессора к памяти. Каждый слой будет содержать до 256 Мбайт.

Другой фактор, ограничивающий производительность современных компьютеров, — пропускная способность процессорной шины. Разделяемые шины уже уступают свое место соединениям типа «точка-точка».

Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП.

Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21 264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10% площади кристалла.

Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) — очень длинного командного слова.

Особенности архитектуры EPIC [4]:

— Явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами проводит не процессор, а компилятор.

— Большое количество регистров.

— Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств (АЛУ, FPU, MMX, SSE и т. п.).

— Применение предикатов. Предикатный подход исходит из предпосылки, что возросшие мощности микропроцессоров позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом) (рис. 5). По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в приемник до определения правильности направления перехода.

Рис. 5. Предикатное исполнение команд

Отметим основные достоинства этого подхода:

— Упрощается архитектура процессора. Вместо логики распараллеливания на EPIC-процессоре можно разместить больше регистров, функциональных устройств и т. п.

— Процессор не тратит время на анализ потока команд.

— Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы.

Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.

Однако архитектуре EPIC присущ и ряд недостатков:

— Компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется.

— Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом.

— Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее.

Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода — вывода составляют основу любого компьютера. Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части — устройства ввода-вывода и внешняя память.

В курсовой работе даны определения микропроцессора и микропроцессорной системы, принципы и устройства микропроцессора. Приведена классификация микропроцессоров по их архитектуре, представлены параметры, которые характеризуют микропроцессоры каждого класса как вычислительное устройство и как электронное изделие. Описаны структура и основные блоки микропроцессора i486, являющегося базовым микропроцессором для этой архитектуры. В работе также были рассмотрены классические направления повышения производительности микропроцессоров, показаны их ограничения. Представлены современные пути развития универсальных микропроцессоров.

Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями — нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если «микроскопические» компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.

Таким образом, поставленные задачи решены, цель достигнута.

Список использованных источников

1. Богданов А. В., Корхов В. В., Мареев В. В., Станкова Е. Н. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. — 176 с.:ил.

2. Горюнов А. Г. Ливенцов С.Н. Микропроцессоры: Учеб. пособие. — Томск: Изд-во ТПУ, 2005. — 89 с.

3. Гуров В. В. Архитектура микропроцессоров. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — 273 с.:ил.

4. Гуров В. В. Компоненты и архитектура компьютеров: конспект лекций, 2008. 104 с.

5. Информатика: Базовый курс / С. В. Симонович и др. — СПб.: Питер, 2003. — 640 с.: ил.

6. Микропроцессоры: В 3-х кн. / Под ред. Преснухина. М.: Высшая школа, 1986. Кн.1. 495 с. Кн. 2. 383 с. Кн. 3. 351 с.

7. Нестеров П. В. Микропроцессоры.- М.: Высшая школа, 1984. -104 с.

8. Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 368 с.:ил.

9. Новиков Ю. В.

Введение

в цифровую схемотехнику.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 344 с.:ил.

10. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. (+CD). — СПб.: Питер, 2007. — 844 с: ил.