Микропроцессор

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.

 

 

 

    

 

 

         4. Направления в производстве микропроцессоров

 

На данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются  в принципах архитектуры. первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.

 

        4.1 Микропроцессоры с архитектурой RISC

 

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 помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объёме 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 арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. В результате чего, RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высоко производительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Сегуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

 

1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.
3. 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 ).
4. Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня.

 

        4.2 Микропроцессоры с архитектурой CISC

 

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, характерных для микропроцессора первого поколения, до значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.)

Для CISC-процессоров характерно:  
сравнительно небольшое число регистров общего назначения; 
большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; 
большое количество методов адресации; 
большое количество форматов команд различной разрядности; 
преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память. 
 
Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере “выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата”.  
 
Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает “чипы с сокращённой системой команд” (Reduced Instruction Set Computer).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 5. Обзор некоторых 16- и 32-разрядных микропроцессоров.

 

 5.1. Процессоры фирмы Intel.

Достижения фирмы Intel в искусстве проектирования и производства полупроводников делают возможным производить мощные микропроцессоры в все более малых корпусах. Разработчики микропроцессоров в настоящее время работают с комплиментарным технологическим процессом метал – оксид полупроводник (CMOS) с разрешением менее, чем микрон.

Использование субмикронной технологии позволяет разработчикам фирмы Intel располагать больше транзисторов на каждой подложке. Это сделало возможным увеличение количества транзисторов для семейства X86 от 29,000 в 8086 процессоре до 1,2 миллионов в процессоре Intel486 DX2, с наивысшим достижением в Pentium процессоре. Выполненный по 0.8 микронной BiCMOS технологии, он содержит 3.1 миллиона транзисторов. Технология BiCMOS объединяет преимущества двух технологий: биполярной (скорость) и CMOS ( малое энергопотребление ). С помощью более, чем в два раза большего количества транзисторов Pentium процессора по сравнению с Intel486, разработчики поместили на подложке компоненты, ранее располагавшимися снаружи процессора. Наличие компонентов внутри уменьшает время доступа, что существенно увеличивает производительность. 0.8 микронная технология фирмы Intel использует трехслойный металл и имеет уровень, более высокий по сравнению с оригинальной 1.0 микронной технологией двухслойного металла, используемой в процессоре Intel486.

 

        5.1.1. Первые процессоры фирмы Intel.

 

За 20-летнюю историю развития микропроцессорной техники, ведущие  позиции в этой области занимает американская фирма Intel (INTegral ELectronics). До того как фирма Intel начала выпускать микрокомпьютеры, она разрабатывала и производила другие виды интегральных микросхем. Главной ее продукцией были микросхемы для калькуляторов. В 1971 г. она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. Фирма первоначально продавала его в качестве встроенного контроллера (что-то вроде средства управления уличным светофором или микроволновой печью). 4004 был четырех битовым, т.е. он мог хранить, обрабатывать и записывать в память или считывать из нее четырех битовые числа. После чипа 4004 появился 4040, но 4040 поддерживал внешние прерывания. Оба чипа имели фиксированное число внутренних индексных регистров. Это означало, что выполняемые программы были ограничены числом вложений подпрограмм до 7.

В 1972 г., т.е. спустя год после  появления 4004, Intel выпустила очередной процессор 8008, но подлинный успех ей принес 8-битный микропроцессор 8080, который был объявлен в 1973 г. Этот микропроцессор получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей стране его аналог - микропроцессор KP580ИК80 применяется во многих бытовых персональных компьютерах и разнообразных контроллерах. С чипом 8080 также связано появление стека внешней памяти, что позволило использовать программы любой вложенности.

Процессор 8080 был основной частью первого небольшого компьютера, который получил широкое распространение  в деловом мире. Операционная система  для него была создана фирмой Digital Research и называлась Control Program for Microcomputers (CP/M).

 

        5.1.2. Процессор 80286.

 

МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА 80286

80286 - однокристальный 16-разрядный МП

80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор

82284 - генератор тактовых сигналов

82288 - системный контроллер

82289 - арбитр магистрали

 

Микропроцессор 80286 появился в 1982 году. При разработке были учтены достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров. Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует  микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях PS/2.

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80286

Тактовая частота.............………………....6; 8; 10; 12

Адресное пространство памяти:

физической, Мбайт.........................16

виртуальной на задачу, Гбайт.........1

Число уровней защиты памяти...... .4

Пропускная способность  шины, Мбайт/с......12,5

Число контактов четырехразрядного  корпуса.….68

 

5.1.3. Процессор 80386.

 

МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО НАБОРА 80386

80386 - быстродействующий 32-разрядный МП с 32-разрядной внешней

 

80387 - быстродействующий математический сопроцессор

82384 - генератор тактовых сигналов

82358 - арбитр магистрали.

 

При разработке 32-битного  процессора 80386 потребовалось решить две основные задачи - совместимость  и производительность. Первая из них  была решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса (Real Adress Mode) или P-режим.

В Р-режиме процессор 80386 может  выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются  все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно  отметить масштабированную индексную  адресацию памяти, ортогональное  использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.

Микропроцессор 80386 дает разработчику систем большое число

новых и эффективных возможностей, включая производительность от 3 до 4 миллион операций в секунду, полную 32-битную архитектуру, 4 гигабитное (2 байт) физическое адресное пространство и  внутреннее обеспечение работы со страничной виртуальной памятью.

Микропроцессор реализован с помощью технологии фирмы Intel CH MOSIII - технологического процесса, объединяющего в себе возможности высокого быстродействия технологии HMOS с малым потреблением технологии кмоп. Использование геометрии 1,5 мкм и слоев металлизации дает 80386 более 275000 транзисторов на кристалле. Микропроцессор 80386 выпускается в двух вариантах, работающих на частоте I2 и I6 мгц без состояний ожидания, причем вариант 80386 на 16 мгц обеспечивает скорость работы 3-4 миллиона операций в секунду.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно  работающих блоков с соответствующей  синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют  разрядность 32 бит. Конвейерная организация  функциональных блоков в 80386 допускает  временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет  одновременно выполнять несколько  операций. Кроме конвейерной обработки  всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение  за 9-41 такт синхронизации, в зависимости  от числа значащих цифр; он может  разделить 32-битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или  за 43 такта (в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может  за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (и- ли к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80386

Тактовая частота, МГц.................16, 20, 25, 33

Адресное пространство памяти:

физическое, Гбайт...................………………4

виртуальное, Тбайт...................…………….64

Число уровней защиты..................………….4

Пропускная способность  шины, Мбайт/с....32

Число контактов корпуса  с матричным

разложением выводов...................…………132

 

       5.1.4. Процессор 80486.

МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО НАБОРА 80486

80486 - быстродействующий 32-разрядный МП

82596СА - 32-разрядный сопроцессор LAN

82320 - контроллер магистрали Micro Chanel (MCA)

82350 - контроллер магистрали EISA

82С508 - микросхема программируемой логики, минимизирующая объем оборудования основной платы

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее, поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд. Восьми килобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 МГерц гарантируют высокую производительность системы даже с недорогими дисками (DRAM). Новые возможности расширяют многозадачность систем. Новые операции увеличивают скорость работы с семафорами в памяти. Оборудование на микросхеме гарантирует непротиворечивость кэш-памяти и поддерживает средства для реализации многоуровневого кэширования. Встроенная система тестирования проверяет микро схемную логику, кэш-память и микро схемное постраничное преобразование адресов памяти. Возможности отладки включают в себя установку ловушек контрольных точек в выполняемом коде и при доступе к данным. Процессор i486 имеет встроенный в микросхему внутренний кэш для хранения 8Кбайт команд и данных. Кэш увеличивает быстродействие системы, отвечая на внутренние запросы чтения быстрее, чем при выполнении цикла чтения оперативной памяти по шине. Это средство уменьшает также использование процессором внешней шины. Внутренний кэш прозрачен для работающих программ. Процессор i486 может использовать внешний кэш второго уровня вне микросхемы процессора. Обычно внешний кэш позволяет увеличить быстродействие и уменьшить полосу пропускания шины, требуемую процессором i486.

 

5.1.5. Обзор последующих  процессоров фирмы Intel