Микропроцессоры

Микропроцессоры

Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и ин-терфейсы.

Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) -- функционально законченное программно управляемое устройство обработки информации, вы-полненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

вычисление адресов команд и операндов;

выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних уст-ройств (ВУ);

прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;

выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

переход к следующей команде.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

разрядность;

рабочая тактовая частота;

размер кэш-памяти;

состав инструкций;

конструктив;

рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство -- это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстро-действие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

L1 -- память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);

L2 -- память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций -- перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процеду-ры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в не-больших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот со-став далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot -- щеле-вой разъем, Socket -- разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) -- МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;

RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;

VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;

MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.

Микропроцессоры типа CISC

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, вы-пускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д. «Законодателем мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая ряд МП, по некоторым параметрам превосходящие «интеловские». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 8.1.

Следует знать, что:

у микропроцессоров 80386 и 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и т. д., отличающиеся от базовой модели разрядностью шины, тактовой часто- той, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряже-ния и другими параметрами;

микропроцессоры Pentium, Pentium II, Pentium III имеют много различных модификаций, некоторые из них будут названы далее;

число элементов -- это количество элементарных полупроводниковых пере-ходов, размещенных в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микрометрах (микронная технология).

Следует также знать, что:

микропроцессоры 80486DX и выше имеют встроенный математический сопроцессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличен-ной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные на системной плате, работа-ют с обычной частотой;

у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд. В МП 286 предусмотрены регистры для очереди команд общим размером 6 байт, в МП 486 --16 байт и т. д. Конвейерное выполнение команд -- это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Кон-вейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;

у МП 80286 и выше есть возможность работы и вычислительной сети;

у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти.

Современные микропроцессоры имеют два режима работы

О реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно выпол-нение только одной программы и непосредственно адресоваться могут только 1024 + 64 Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов, поддерживается операционной системой DOS;

О защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечи-вающий выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адре-сацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Предоставляется непосредственный доступ к памяти ем-костью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 100 Гбайт для МП Pentium Xeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти -- к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задаче. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответст-вующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищен-ный режим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, Unix и т. д;

в МП 80386 и выше встроена поддержка системы виртуальных машин. Систе-ма виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадач-ной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;

у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти двух уровней (L1 и L2);

у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять ко-роткие операции за один такт.

Микропроцессоры Pentium

Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium, ко-торая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обозна-чения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и т. д.). Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совме-щение тактов выполнения последовательных команд (возможно независимое выполнение сразу двух простых команд), и кэш-буфер для команд условной пе-редачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления про-грамм; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, вы-полняющим каждую команду как бы за один такт. Процессоры Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.

Страницы: 1, 2, 3