Структура базового микропроцессора

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцес­сор — обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процесса. В на­стоящее время существует большое число разновидностей микропро­цессоров, различающихся назначением, функциональными возмож­ностями, структурой и исполнением. Наиболее существенными, клас­сификационными различиями между ними чаще всего выступают:

• назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложе­ний; МП для персональных компьютеров и т. д.);

• количество разрядов в обрабатываемой информационной единице
(8-битовые, 16-битовые, 32-битовые, 64-битовые и др.);

• технология изготовления (0,5 мкм; 0,35 мкм; 0,25 мкм; 0,18 мкм;
0,13 мкм; 0,07 мкм).

Среди МП для серверов и мощных приложений прочное место завоевали RISC-процессоры (Reduce Instruction Set Computing) с сокращенной системой команд. Система команд таких МП содер­жит ограниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого упрощаются схемы управления микропроцессором и сокращаются его размеры. На кристалле МП (чипе) освобождается место, которое используется для размещения кэш-памяти большого объема. Наличие такой памяти внутри чипа позволяет сократить количество обращений к основной памяти, а это приводит к повы­шению быстродействия ЭВМ в 2—10 раз, так как обращение к кэш-памяти, расположенной внутри чипа, требует меньших затрат времени. Для повышения производительности RISC-процессоры обычно работают с машинными словами очень большой длины (не менее 64 бит).

К числу RISC-процессоров относятся микропроцессоры SPARC и UltraSPARC фирмы Sun Microsystems, Alpha фирмы Compaq, MIPS фирмы Silicon Graphics. Консорциум фирм IBM—Motorola—Apple разрабатывает и выпускает МП Power PC, или сокращенно РРС. Фирма Intel (INTegrated ELectronics) совместно с Hewlett-Packard разраба­тывает RISC-процессор «Р7» с тактовой частотой более 900 МГц, обеспечивающий совместимость с 32-битовыми МП. Прогнозирует­ся, что два из этих микропроцессоров (РРС и Р7) в модифицирован­ном виде будут использоваться до 2025 г.

Микропроцессоры для персональных компьютеров обычно отно­сятся к CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing) с пол­ной системой команд, насчитывающей до 250 единиц. К их числу от­носятся 8-битовые микропроцессоры i8080, i8085 (с буквы i начина­ются названия МП, выпускаемых фирмой Intel), Z80 (с буквы Z на­чинаются названия МП фирмы Zilog) и др.

Наибольшее распространение среди 16-битовых микропроцессо­ров получили i8086, J8088, среди 32-битовых — i80386, 180486, кото­рые совместимы по командам и форматам данных снизу вверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях IBM PC.

Два из этих микропроцессоров — i8086 и i8088 — по назначению и функциональным возможностям одинаковы. Различаются они только разрядностью шины данных системной магистрали: МП i8086 имеет 16-битовую шину данных, a i8088 — 8-битовую. В связи с этим вы­борка команд и операндов из основной памяти производится за раз­ное число машинных циклов. С точки зрения функциональных воз­можностей существенного значения эти различия не имеют, поэтому и упоминают о них, как правило, вместе: 8086/8088.

Этот тип МП является базовым для IBM-совместимых машин. Все последующие типы МП основываются на нем и лишь развивают его архитектуру,

МП 8086/8088 имеет базовую систему команд. В следующей мо­дификации МП фирмы Intel — 80186 реализована расширенная сис­тема команд. Расширение системы команд продолжается во всех но­вых моделях, но кроме этого в каждой новой модели вводятся допол­нительные архитектурные решения: в 80286 введены встроенный блок управления ОП, работающей в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4 Гбайт при 16 Мбайт физической), и блоки, позволяющие реализовать муль-тизадачность: блок защиты ОП и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче. Кроме того, во всех последующих моделях вводятся и совершенствуются средства, позволяющие повы­сить производительность МП: совершенствуются конвейер команд и встроенный блок управления ОП, вводятся микропрограммное уп­равление операциями, прогнозирование переходов по командам ус­ловной передачи управления, скалярная архитектура ЦП (арифметический конвейер) и мультискалярная архитектура (несколько парал­лельно работающих арифметических конвейеров, одновременно вы­полняющих несколько машинных операций, благодаря чему появля­ется возможность за один такт МП выполнять более одной машинной операции). Начиная с 80486, в кристалле МП размещается арифмети­ческий сопроцессор для операций с плавающей точкой. Фирма Intel разработала специальный микропроцессор Over Drive, который пред­назначен для параллельной работы с основным микропроцессором (для этого на системной плате предусматривается специальное гнездо).

Все эти усовершенствования позволяют сделать персональную ЭВМ IBM PC мультипрограммной, многопользовательской (МП 80286 позволял работать с 10 терминалами; 80386 — с 60) и многозадачной. С помощью операционной системы стало возможным реализовать работу в режиме SVM (системы виртуальных машин), т.е. на одной ПЭВМ реализовать множество независимых виртуальных машин (МП 80386 позволял в этом режиме реализовать работу до 60 пользовате­лей, каждому из которых предоставлялась отдельная виртуальная ПЭВМ IBM PC на МП 8086).

В обозначениях микропроцессоров появились дополнительные эле­менты: буквы SL, SX, DX и цифры. Буквы обозначают:

• SL — микропроцессор изготовлен с пониженным потреблением энергии (питание на те или иные блоки МП подается только в те моменты, когда они включаются в работу; в результате снижается потребление энергии и увеличивается срок службы источников пи­тания, сокращается выделение энергии в кристалле МП и снижа­ется его температура, благодаря чему увеличивается срок службы микропроцессора);

• SX — данный микропроцессор является переходным — длина ма­шинного слова в нем осталась без изменения от предыдущей модели;

• DX — длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с
МП предыдущей модели.

Цифры обозначают, во сколько раз изменилась тактовая частота по сравнению с МП предыдущей модели. Иногда (при наличии моди­фикаций) дополнительно указывается тактовая частота МП.

Разработан новый микропроцессор — Pentium MMX (MultiMedia Extention), в котором реализована архитектура вычислительных сис­тем класса SIMD, введено 57 новых команд, необходимых для обра­ботки аудио-, видео- и телекоммуникационной информации.

Тактовая частота МП Pentium различных модификаций выросла с 60 до 700 МГц и продолжает расти.

Ведущие фирмы-производители ЭВМ с целью совершенствование выпускаемой ими продукции активно ведут научные исследования, с чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1. За 1997 г. фирмой IBM получены:

1) патенты по применению в микросхемах медных проводников вместо
алюминиевых (50 патентов), что позволяет увеличить степень интеграции микросхем, повысить их тактовую частоту, снизить энерго­потребление, рассеиваемую мощность и стоимость изготовления;

2) группа патентов, позволяющая в накопителе на жестких магнит­ных дисках достигнуть плотности записи 10 Мбит на 1 кв. дюйм, что позволило фирме создать НЖМД емкостью 1 Гбайт размером с пуговицу средней величины;

3) группа патентов, обеспечивающая запись и чтение нескольких сто­рон CD за счет перефокусировки лазерного луча (без переворачи­вания компакт-диска);

4) патент на клавиши, чувствительные к силе нажатия, и др. В ре­зультате выполнения таких работ с 1998 г. IBM выпускает микро­процессоры РРС 750 с медной разводкой.

Таблица 1

Поиск по сайту: