Реферат: Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров
Одним из важных параметров МП является быстродействие определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внеш ними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...33 МГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов изрегистров или пересылка операндов врегистрах МП ) требует минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и её выполнения ). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.
Структуры, характеристики и архитектуры некоторых микропроцессоров.
Микропроцессоры Alpha.
Технологическое решение способствующее повышению производительности процессора АХР 21064 , Являются две раздельные кэш - памяти для команд и данных по 8 Кбайт каждая. Кроме того, в этом чипе применён метод предсказания ветвления ( Branch Prediction ), который позволяет предсказывать возможные разветвления потоков конвейерной линии.
Основным примуществом этого процессора является его высокая тактовая частота, обеспечиваемая особой структурой процессора.
Микропроцессоры ARM.
МП содержит АЛУ, сдвигатель, умножитель, двадцать семь 32- разрядных регистров.
В МП реализован трехступенчатый конвейер (одна инструкция выполняется, вторая -декодируется третья - считывается в памяти).
Обращение к памяти осуществляется только командами зарузки и запоминания регистров, обеспечивающими адресацию байта или 32-разрядного слова.
МП может работать в четырех режимах (О - пользователя, 1 - прерывания. 2 - быстрого прерывания. 3 - супервизора), каждый из которых может использовать свои собственные 32-разрядные регистры.
| Режим | Номера регистров |
| 0 | 0 - 15 |
| 1 | 10 - 14 |
| 2 | 13 , 14 |
| 3 | 13 , 14 |
Все команды МП имеют длину 32 разряда.
Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.
МП содержит три устройства : предварительной выборки, исполнительное, управления памятью.
Исполнительное устройство включает в себя регистровый файл, содержащий 64 регистрас фиксированным адресом ( глобальные регистры ) и 128 регистров с переменным адресом ( локальные регистры).
Глобальные регистры назначаются статически компилятором или программистом. Они могут быть использованы для размещения данных ОС, таких, как базовых адресов страниц.
Локальные регистры выполняют функции регистров стека для хранения параметров процедуры обращения к подпрограмме. Все команды имеют фиксированный 32-разрядный формат,обеспечивающий упрощение организации конвейера, схемы выборки и обработки команды и др.
Микропроцессоры фирмы Intel.
В процессорах применяются расширенные микроканалы, характеризующиеся следующими пеимуществами : поддержка параллельной многопроцессорной многозадачной работы; до 15 каналов прямого доступа; одновременная обработка и выборка данных; усовершенствованный доступ к данным; усовершенствованная диагностика и локализация ошибок; управление конфликтами при прерываниях ввода - вывода; автоматическое расширение; идентификация и интеграция.
Микропроцессор i80386.
В 80386 имеется 32 регистра, разделяемых на следующие группы : регистры общего назначения, сегментные, указатель команд и флаги, управления.
Шесть програмно доступных регистров отладки реализуют поддержку процесса отладки программ : четыре указывают четыре точки останова, управляющий используется для установки контрольных точек , а статусный показывает текущее состояние точек останова. Эти регистры обеспечивают задание контрольных точек останова по командам и данным, а также пошаговый режим выполнения программы.
Микропроцессор 80386 содержит шесть блоков, обеспечивающих управление выполнением команд, сегментацию, страничную рганизацию памяти, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти устройства работают в виде конвейера, причем каждое из них может выполнять свою конкретную функцию параллельно с другими. Таким образом, во время выполнения одной команды производится декодирование второй, а третья выбирается из памяти. Дополнительным средством повышения производительности служит специальный блок быстрого умножения (деления). Устройство управления памятью содержит блок сегментации и блок страничной организации. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных и эффективное разделение памяти между задачами. Страничный механизм работает на более низком уровне я прозрачен для сегментации, позволяя управлять физическим адресным пространством. Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц размером 4 Кбайта.
Память организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гбайта. Каждая область адресного пространства может иметь связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип (стек, программа или данные) характеристики зашиты.
Устройство сегментации обеспечивает четырехуровневую защиту для изоляции прикладных задач и операционной системы друг от друга.
Микропроцессор i486.
По сравнению с 80386 процессором, почти все усовершенствования сделаны на аппаратном уровне, и у нового процессора гораздо больше. На кристалле, кроме центрального процессора, были размещены : математический сопроцессор, кэш и устройство управления памяпью, которое позволяло физически адресовать до 4 Гбайт ОЗУ. Микропроцессор 80486 на частоте 25 - Мгц работал в 3 - 4 раза быстрее чем микропроцессор 80386, расчитанный на такую же частоту.
В микропроцессоре используются раздельные 32 - разрядные шины адреса и данных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачи данных до 106 М байт\с ( при тактовой частоте 33 Мгц ), а также 8 Кбайт встроеной кэш - памяти, играющей роль буфера между относительно медленной основной памятью и высокоскоростным процессором. Процессор i80486 в своё время являлся незаменимым при работе в такой многопользовательской системе как UNIX.
Выбор показателей для оценки микропроцессоров.
Первый показатель - архитектура самого микропроцессора, какая она RISC или CISC.
Основные характеристики архитектур типовых MП приведены на следующей странице:
| Характеристика | CISC | RISC |
| Формат команд | Переменный | Стандартный |
| Структура команд | Сложная | Простая |
| Выполнение всех команд | Аппаратно - програмное | Аппаратное |
| Число команд | Большое | Небольшое |
| Число регистров | Небольшое | Большое |
| Время обработки прерывания | Среднее | Очень малое |
| Тактовая частота, МГц | 25 ; 33 ; 40 | 12 ; 16,7 ; 20 |
| Среднее число тактов за инструкцию | 4 - 6 | 1,2 - 2 |
| Среднее число транзисторов, тыс. | 300 - 400 | до 50 |
| Быстродействие млн. оп\с. | 4 - 6 | 10 - 12 |
| Отношение тыс транзисторов\млн. оп\с | 70 | 5 |
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня.
В то же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC архитектурой привели к быстрому росту сложности схем (80386 содержит 270 тыс., а 80486 - 1 млн. транзисторов) и, как следствие, к пределу возможностей CISC- архитектуры в рамках существующей кремниевой технологии.
Усложнение RISС процессоров фактически приближает их архитектуру к СISC-архитектуре.
В настоящее время число MП с RISC-архитектурой существенно возросло и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производители основных семейств МП с СISC-архнтектурой.
Процессоры с RISC - архитектурой широко применяются в платах - ускорителях ( акселераторах ) для преобразования стандартных 16 - разрядных ПЭВМ в 32 - разрядные персональные системы высокой производительности.
Второй показатель - производительность. Различают несколько производительностей, в данном случае я рассмотрю 2 вида : пиковую или предельную ( производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти за операндами ) и номинальную (производительность процессора с оперативной памятью ).
Пиковая производительность определяется как среднее число команд типа «регистр - регистр», выполняемых в единицу времени без учета их статистического веса в выбранном классе задач. В настоящее время за рубежом пиковая производитель ность процессора измеряется для команды типа «нет операции» в миллионах операций в сек.
Номнальная производительность традиционно определяется как среднее число команд, выполняемых полсистемой «процессор - память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным процессров определенных архитектур, и измеряется разботанными для них измерительными программами, реализующими соответствующую эталонную нагрузку.
Третий показатель - быстродействие, измеряемое миллионами тактов всекунду или Мега Герцами. Чем больше Мгц тем лучше, хотя выбор наиболее быстрого процессора в этом плане зависит от толщины кошелька.
Сравнительная оценка структур и архитектур совместимых 32-разрядных микропроцессоров.
В микропроцессорной индустрии только фирма Intel “ изобрела велосипед “ остальные фирмы и корпорации “ плясали от исходного “ приобретая патенты или дорабатывая и усовершенствуя, на сколько позволял прогресс в этой области, детища фирмы Intel. Поэтому я попробую сравнить продукты этой фирмы, считая все остальные процессоры клонами с доработками или без.
Оба процессора 80386 и 80486 имеют одинаковую архитектуру - CISC. Фирма Intel заняла нишу CISC процессоров, процессоров более общего применения по существенно низким ценам.
Фирма Intel для оценки производительности своих процессоров предложила специальный индекс - iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance), который, по ее мнению,более точно отражает возрастание производительности при переходе к новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении определенных программ демонстрируют даже меньшее быстродействие, чем компьютеры на основе 486DX2-66, это связано как с недостатками конкретных системных плат, так и с неоптимизированностью программных кодов). Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Производительность других про- цессоров, которые останутся в ближайшей производственной программе фирмы Intel, представлена в следующей таблице:
| МОДЕЛЬ | ИНДЕКС iCOMP |
| 486SX2-50 | 180 |
| 486DX2-50 | 231 |
| 486DX2-66 | 297 |
| 486DX4-75 | 319 |
| 486DX4-100 | 435 |
| Pentium-60 | 510 |
| Pentium-66 | 567 |
| Pentium-90 | 735 |
Иногда общая скорость работы компьютера называется производительностью. Имеется несколько способов измерения производительности, и она зависит от многих факторов, например размера и быстродействия дисков, наличия сопроцессора и быстродействия микросхем памяти. Однако наиболее важным фактором является быстродействие процессора.
Как правило производительность новых процессоров выше старых. Например, процессоры 386 и 486 быстрее процессора 8086. Конечно процессоры 386 и 486 не только по скорости - гораздо важнее их расширенные возможности. Многие забывают, что важна не только скорость процессора, но и то, что он может делать.
Обычно каждый член процессорного семейства включает несколько моделей, единственное различие которых заключается в рабочей частоте. Действиями процессора управляют электрические импульсы, появляющиеся миллионы раз в секунду. Каждый импульс вызывает некоторое действие процессора, и время выполнения конкретной операции измеряется числом импульсов (часто называемых тактами). Например, для умножения двух чисел требуется больше тактов, чем для сложения.
Число тактов в секунду измеряется миллионами даже для медленных процессоров и выражается в мегагерцах (МГц). Например, 10 МГц означают 10 миллионов тактов в секунду.
При прочих равных параметрах компьютер с более быстрым процессором работает быстрее компьютера с тем же процессором, имеющим меньшую частоту. Например, первый компьютер PC AT имел процессор 286, работающий на частоте 6 МГц. Через некоторое время появился более быстрый компьютер PC AT с тем же процессором 286, но работающим на частоте 8 МГц.
При сравнении быстродействия процессоров необходимо иметь в виду, что новые процессоры работают эффективнее старых. Например, процессор 486 с частотой 25 МГц работает быстрее процессора 386 с той же частотой 25 МГц. В случае сомнений выбирайте самый быстрый компьютер, который подходит по стоимости. В моделях одного и того же компьютера применяются процессоры с разичным быстродействием. Например, модель 70 семейства PS/2 выпускается с процессором 386, работающим на частотах 16, 20 или 25 МГц. Кроме того, в некоторых компьютерах модели 70 применяется процессор 486. В таблице приведены процессоры семейства 86 с их рабочими частотами. Показаны все рабочие частоты, объявленные фирмой Intel. Однако не которые процессоры с низкой рабочей частотой сняты с производства. От метим, что фирма Intel по лицензиям разрешала другим фирмам выпускать процессор 286 и некоторые другие; эти фирмы предлагали процессоры с отличающимися рабочими частотами. В таблице приведены только частоты, официально объявленные фирмой Intel.
Таблица Процессоры семейства 86 фирмы Intel.
| Процессор | Частоты ( МГц ) |
| 8088 | 4,77 ; 8 |
| 8086 | 4,77 ; 8 ; 10 |
| 188 | 8 ; 10 ; 12,5 ; 16 |
| 186 | 8 ; 10 ; 12,5 ; 16 |
| 286 | 8 ; 10 ; 12,5 |
| 386SX | 16 ; 20 |
| 386SL | 20 ; 25 |
| 386DX | 16 ; 20 ; 25 ; 33 |
| 486SX | 16 ; 20 ; 25 ; 33 |
| 486DX | 25 ; 33 ; 50 |
| 486DX2 | 50 ; 66 |
| 486SL | 20 ; 25 |
| Pentium | 60 ; 66 |
Отметим, что в рекламных обьявлениях встречаются компьютеры с процессорами 486, работающими на частоте 66 Мгц. Фактически речь идёт о процессорах DX2, которые внутри действуют на частоте 66 Мгц, а с остальными устройствами взаимодействуют на частоте 33 Мгц. Самый быстродействующим процессором 486 ( и самая быстрая шина компьютера ) имеет рабочую частоту 50 Мгц. Однако оказалось, что обычные шины PC работают на такой частоте ненадёжно. В наиболее надёжных компьютерах применяется шина на 33 Мгц, а результаты тестирования показывают, что процессоры DX2 с частотой 66 Мгц при некоторых условиях превосходят модели с рабочей частотой 50 Мгц.
Перспективы развития микропроцессоров.
Поразмышлять о будущем PC весьма интересно. Технология совершенствуется столь быстро, что ее постоянные новинки становятся нормой. Остановимся подробнее на будущем процессоров семейства 86.
В настоящее время RISC - процессоры являются также базой для построения сопроцессоров и спецпроцессоров, интеллектуальных контроллеров и других устройств.
Полагают, что именно конкуренция между Power PC и Pentium является самым существенным фактором для развития рынка процессоров и персональных компьютеров. Power PC 601 примерно в два раза дешевле, чем Pentium, потребляет в два раза меньшую мощность и превосходит Pentium по производительности, особенно по операциям с плавающей точкой. Сначала на процессоре 601 была реализована только система 6000 фирмы IBM и PowerMac фирмы Apple. В настоящее время большинство производителей компьютеров имеют свои варианты систем на базе Power PC, однако решение об их производстве будет определяться прежде всего складывающейся конъюнктурой.
Начнем с процессора Pentium, самого совершенного творения фирмы Intel. В нем имеется несколько новинок, например, 64-битовая шина, предсказание перехода, отдельные кэши для данных и команд. Процессор Pentium работает минимум вдвое быстрее процессора 486DX с частотой 66 МГц, выполняя 100 миллионов операций в секунду при частоте синхронизации 60 МГц. Сравните эти показатели с процессором 8088 первого IBМ PC, работавшим на частоте 4,77 МГц. Более того, Pentium намного эффективнее процессора 8088; фактическая производительность в несколько раз выше, чем просто при сравне нии частот синхронизации.
Однако, согласно сообщениям фирмы, недалек выпуск еще более быстро действующих процессоров. В середине 90х годов ожидается появление процессора 686 (возможно, он будет называться по-другому), а в конце века появится процессор 786.
Если предварительные сведения точны (по-видимому, это и есть), процессор 786 будет работать на частоте 250 Мгц, иметь 5 млн транзисторов четыре отдельных процессорных модуля, а также два векторных процессора для обработки списков чисел, размещаясь на чипе площадью 1 кв дюйм . Кроме того, значительное внимание уделяется самотестированию и графическому интерфейсу с очень высокой разрешающей способностью, включая движущиеся изображения в реальном времени. Вместе с тем в процессоре 786 сохранится совместимость со всем имеющимся программным обеспечением фирме Intel этот будущий процессор называется Micro 2000 (но, возможно, он появится под другим названием).
Сейчас самим быстродействующим процессором является Pentium с частотой синхрониаации 66 МГц. В феврале 1991 г. фирма Intel представила вариант процессора 486 с частотой 100 МГц, но его коммерческих поставок не было, поскольку Pentium обеспечивает более высокую производительность при меньшей частоте. Однако возможно появление процессора Pentium с рабочей частотой 100 МГц до выпуска процессора 786.
Помимо все более быстродействующих процессоров появляются все новые приспособления. Интересным, примером служит разъем или гнездо для по вышения производительности (overdrive socket), имеющееся в некоторых временных компьютерах. Раньше люди не знали, для чего предназначенно это гнездо, а сейчас они знают, что в него можно вставить математический сопроцессор или более производительный процессор. С появлением процессора Pentium ожидается появление мультипроцессорных PC c производительностью мощных миникомпьютеров и стоимостью в несколько раз ниже.
Обратимся к таблице , показывающей приблизительное количество транзисторов в кождом процессоре, позволяющее приближённо оценить их сложность. Чтобы показать стремительный прогресс компьютерной технологии, в таблицу включены предшественники семейства 86.
Таблица . Предшественники, члены и будущие члены процессорного семейства 86 фирмы Intel.
| Процессор | Число транзисторов | Год выпуска |
| 4004 | 2300 | 1971 |
| 8008 | 3500 | 1972 |
| 8080 | 6000 | 1974 |
| 8080A | 6000 | 1976 |
| 8085 | 6500 | 1976 |
| 8085A | 6500 | 1978 |
| 8086 | 29000 | 1978 |
| 8088 | 29000 | 1979 |
| 188 | 100000 | 1982 |
| 186 | 100000 | 1982 |
| 286 | 134000 | 1982 |
| 386 | 275000 | 1985 |
| 386SX | 275000 | 1988 |
| 386SL | 855000 | 1990 |
| 486SX | 1185000 | 1991 |
| 486 | 1200000 | 1989 |
| Pentium | 3100000 | 1993 |
| 686 | 22000000 | 1994-1996 |
| 786 | 100000000 | 1999-2001 |
Отметим значительное превосходство процессора 786 над всеми прежними процессорами.
Глядя на приведенные в таблице числа, нетрудно представить себе мир не столь отдаленного будущего, в котором люди будут обладать небольшими, портативными компьютерами невообразимой мощности.
Список литературы
1 А.А Мячев, В.Н. Степанцов ПЭВМ и микроЭВМ.-М.: Радио и связь,1991.
2 Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратов.-:Финансы и статистика,1991.
3 В.Э. Фигурнов: IBM PC для пользователя.
4 Р. Веббер: Конфигурирование ПК на процессорах 386/486.
5 П. Нортон: Персональный компьютер изнутри.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ed.vseved.ru/
