Арифметические основы вычислительных машин

Получили число 62, ничего интересного кроме правил сложения двоичных чисел этот пример не демонстрирует.

Теперь выполним сложение 127 + 1:

+	0	1	1	1	1	1	1	1
	0	0	0	0	0	0	0	1
	1	0	0	0	0	0	0	0

В результате мы получаем число 128, т.е. старший 7-й разряд будет установлен в 1, это означает, что мы будем интерпретировать это число как отрицательное (-128),  в регистре флагов при  этом установится в 1 флаг знака (SF). Как видно, мы складывали два положительных числа и получили отрицательное,  Этот эффект принято называть переполнением, так как сумма вышла за пределы диапазона чисел, представимых в дополнительном коде, при этом в регистре флагов установится в 1 флаг переполнения (Overflow flag, OF).  Установка флага переполнения показывает, что сложение со знаком дает неверный результат.

Третий пример продемонстрирует сложение отрицательных чисел представленных, естественно, в дополнительном коде.

Суммируем  (-1) + (-126)

+	1	1	1	1	1	1	1	1
	0	0	0	0	0	0	1	0
	1	0	0	0	0	0	0	1

 Получили -127, при этом сумма осталась  отрицательной, но  произошел перенос из самого старшего 7-го разряда числа, это значит,  что в регистре флагов установится в 1 флаг переноса (Carry flag, CF), этот флаг показывает что, в результате операции из старшего бита происходит перенос при сложении или заем при вычитании.

Схема управления выборкой команд или дешифратор выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию, т.е. интерпретацию кода операции, информация о результате дешифрации передается устройству управления.

Устройство управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.

Предварительные сведенья о шинах

Еще раз остановимся на магистрали  связывающей в нашей упрощенной схеме процессор и память. Это необходимо, так как характеристики этой шины во многом определяются характеристиками процессора, которые мы будем рассматривать при анализе эволюции процессоров.

Как уже было сказано в состав шины входят линии (набор которых также называется шиной) трех типов

• шину адреса,
• шина данных,
• шина управления.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

 

N =2I , где I — разрядность шины адреса.

 

Разрядность шины адреса является важной характеристикой процессора.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных чаще всего определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

Процессоры x86

Несмотря на то, что общие принципы работы характерны для всех процессоров, мы будем в дальнейшем иметь в виду наиболее распространенную  и, самое главное, наиболее востребованную при проектировании компьютеров архитектуру x86. Именно ассемблер для этого типа процессоров использовался нами в примерах.

x86 (Intel 80x86) — общее название семейства микропроцессоров, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров других производителей (AMD, VIA, Transmeta, WinChip и т. д.).

Такое имя закрепилось за семейством этих микропроцессоров, так как названия ранних моделей процессоров Intel заканчивались на число 86 — 8086, 80186, 80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). Более поздние модели стали называть именами собственными (например, Pentium), чтобы иметь возможность зарегистрировать их как торговую марку.

Другое название для архитектуры этого типа – IA (Intel Architecture) или же IA-32.

Ведем еще одно понятие «Процессорное ядро» (как правило, для краткости его называют просто «ядро»), это конкретное воплощение архитектуры (т.е. «архитектуры в аппаратном смысле этого слова»), являющееся стандартом для целой серии процессоров. Архитектура  описывает общие принципы построения процессора, ядро – конкретно, это архитектура, «обросшая» всевозможными параметрами и характеристиками. Практически любое наименование процессора хотя бы несколько раз за время своего существования «меняло» ядро. Например, общее название серии процессоров AMD — «Athlon XP» — это одна архитектура, но целых четыре ядра (Palomino, Thoroughbred, Barton, Thorton). Разные ядра, построенные на одной архитектуре, могут иметь, в том числе разное быстродействие.

Математические сопроцессоры

Арифметико-логические устройства, рассмотренные в предыдущем разделе могут работать только с целыми числами. Так, например, в результате деления 3 на 2 мы получим 1. Для проведения математических расчетов необходимо использование специального устройства для выполнения арифметических действий с числами, представленными в форме с плавающей точкой. Таким устройством является математический сопроцессор.

Математический сопроцессор (англ. Floating Point Unit, FPU) это специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор. Сопроцессор расширяет систему инструкций центрального процессора, дополняя ее специфическими командами для работы с числами с плавающей точкой, он обладает собственным набором регистров и исполнительными устройствами.

Для архитектуры IA программная модель FPU содержит включает восемь 80-разрядных регистров данных, где хранятся числа в расширенном вещественном формате.

Краткие сведенья о технологии производства процессоров

Производство большинства процессоров основано на технологии фотолитографии. В этом процессе на обработанную кремниевую подложку помещается «маска», повторяющая изображения элементов и проводников, после чего пластина протравливается и на сочетании закрытых и незакрытых маской участках, возникает рельефная картинка, представляющая собой уменьшенную «фотографию» всех транзисторов (Рис …).

Количество транзисторов (или «полупроводниковых элементов») является одной из основных характеристик процессора. Техпроцесс описывается характерным расстоянием 0.15, 0.13,  0.09 или 0.045 мкм (1 мкм = 1000нм),  это ширина затвора транзистора, через который идет электрический ток. Чем меньше ширина затвора транзистора, тем  больше их можно разместить на пластине одного и того же размера, при этом падает напряжение питания и возрастает быстродействие.

Рисунок 1. Принципиальная схема процесса

 

Рисунок 2 Транзистор на кремниевой подложке

Для количества элементов на кристалле наблюдается характерная закономерность, которая носит название Закон Мура.

В 1965 году Гордон Мур (один из основателей Intel) высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. С момента формулировки закона Мура прошло более 40 лет. Несмотря на некоторые колебания в периоде удвоения, закон Мура продолжает работать (2009 г.)

В дальнейшем при описании поколений процессоров мы будем приводить сведенья о техпроцессе.

Поколения процессоров х86

Эволюцию процессоров мы будем рассматривать следующим образом: сначала перечислим параметры, характеризующие каждый из рассматриваемых процессоров. Затем сведем данные обо всех поколениях процессоров в таблицу, и, наконец, дадим краткую характеристику каждому из представленных процессоров, заостряя внимание на тех новых понятиях, которые, возникли вместе с этим процессором.  

Параметры, характеризующие процессор

Для каждого поколения процессоров будем указывать следующие параметры:

• Разрядность шины адреса – определяет адресное пространство процессора,
• Разрядность шины данных – количество бит, которыми процессор обменивается по шине с памятью или устройством за один такт. Чаще всего разрядность шины данных совпадает с разрядностью процессора (разрядностью его регистров), в случае если эти разрядности не совпадают, внутренняя разрядность процессора будет указываться в скобках,
• Тактовая частота – количество синхронизирующих тактов, поступающих на вход процессора за секунду. В самом первом приближении тактовая частота характеризует производительность процессора, то есть количество выполняемых операций в секунду, однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность,
• Количество элементов на кристалле – от этой характеристики зависит количество выполняемых кристаллом функций, быстродействие и  энергопотребление. Увеличение количества элементов на кристалле происходит за счет сокращения их размеров при переходе на более низкие топологические нормы. Также для справки будут приведены сведенья о характерном расстоянии техпроцесса.

Краткое описание процессоров

Краткая информация по процессорам в сведена в таблицу 1.

 

 

Таблица 2 Эволюция процессоров х86.

Поколение	Наименование	Год выпуска	Разрядность шины адреса	Разрядность шины данных  (разрядность процессора)	Тактовая частота	Количество элементов на кристалле (Техпроцесс)	Нововведения
1	Intel 8086	1978	20	16	5-10 МГц	29 000  (3 мкм)	16 разрядные регистры, 20 разрядная шина адреса, реальный режим адресации.
2	Intel 80286	1982	24	16	6-12 МГц	134 000 (1.5 мкм)	24 разрядная шина адреса, защищенный режим адресации.
3	Intel 80386	1985	32	32		275 000 (1 мкм)	32 разрядные регистры, 32 разрядная шина адреса, 32 разрядный защищенный режим адресации, улучшенная поддержка многозадачности и защиты, встроенная кэш-память
4	I486	1989	32	32			RISC-ядро, конвейер, умножение тактовой частоты системной платы.
5	Pentium	1993	32	64 (32)	60-200 МГц	3,1 млн (800)	Суперскалярная архитектура, -64-битная шина данных, Механизм предсказания адресов ветвления, Раздельное кэширование программного кода и данных.
	Pentium MMX	1997	32	64 (32)	166, 200, 233 МГц	3,3 млн (350)	Технология ММХ
6	Pentium Pro	1995	36	64 (32)	150- 200 МГц	5,5 млн (350)	Динамическое (спекулятивное) исполнение инструкций. Двухуровневый кэш. 36 разрядная шина адреса
	Pentium II	1997	36	64 (32)	233-400 МГц	27,4 млн (180)
	Pentium III	1999	36	64 (32)	450-1400 МГц	44 млн (130)	Набор инструкций SSE
7	Pentium IV	2000	36	64 (32)	1,4 – 3,8 ГГц	125 млн (90)	Гиперконвейеризация
8	Core 2	2006	36	64 (64)	1,8-3,1 ГГц	(45)
	Core i7	2008	36	64 (64)	2,6 – 3,3 ГГц	(45)	Контроллер памяти находится в самом процессоре