Реферат: Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Реферат: Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

 Курсовая работа выполнена студентом группы ИБ-104 Белых А. В.

Московский государственный университет  экономики, статистики и информатики  (ММУБиИТ)

Кафедра вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций.

Москва 1997

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 специальные модификации обычных 16 разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью.

Страницы: 1, 2