Архитектуры процессоров по разделению памяти данных и команд (Архитектура фон Неймана, Гарвардская архитектура)

Микропроцессоры. История появления и развития.

1. Микропроцессор, объявленный как «компьютер-на-чипе», был 4-битный Intel 4004 (ноябрь 1971).

2. Появление универсальных многопрограммных 8-битных Intel 8080 (апрель 1974) и MOS Technology 6502 (сентябрь 1975). Они использовались в производстве настольных компьютеров и игровых консолей. В отличие от 4004, они использовали раздельные шины адреса и данных, а инструкции и данные хранились в одних и тех же областях памяти. Таким образом, это были первые CPU, работающие на основе архитектуры фон Неймана и выполняющие функции АЛУ и устройства управления.

3. выпуск 16-битных Intel 8086/88 (июнь 1978), которые положили начало архитектуре x86 и массовому распространению ПК. В 1980 был представлен первый процессор с RISC-архитектурой — IBM 801. По сравнению с CISC-процессорами того времени он имел меньшие размеры и число инструкций, был проще и дешевле в изготовлении.

4. Переход на 32-разрядные модели, позволявшие эффективнее работать с большими числами и адресовать ранее недоступные объемы памяти. В октябре 1985 вышел первый 32-битный x86-процессор, Intel 80386, а в 1986 появились три новые 32-битные RISC-архитектуры — MIPS, SPARC и PA-RISC, представленные компаниями MIPS Technologies, Sun и HP соответственно.

5. появление 64-битных процессоров MIPS R4000 (февраль 1991) и DEC Alpha 21064 (ноябрь 1992). Alpha был также первым CPU, поддерживающим суперскалярность, то есть возможность исполнять более одной инструкции за такт. Первыми суперскалярными процессорами других архитектур стали Intel Pentium (март 1993), MIPS R8000 (июнь 1994) и др.

6. динамическое исполнение команд - процессор исполняет команды не в том порядке, в котором он их считывает из памяти, а в том, который был более эффективен по времени выполнения, и при этом, конечно же, не нарушал семантики программы. Эта технология была реализована во всех процессорах соответствующих архитектур, начиная с MIPS R10000 (октябрь 1994), PA-RISC 8000 (март 1995), Intel Pentium Pro (ноябрь 1995).

7. С 2000-х годов развитие центральных процессоров пошло в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном корпусе.

Архитектуры процессоров по разделению памяти данных и команд (Архитектура фон Неймана, Гарвардская архитектура).

Архитектура фон Неймана — архитектура с общей, единой шиной для данных и команд. В составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Гарвардская архитектура — это архитектура с раздельными шинами данных и команд. Она предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 1.16). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Рис. 1.16. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура фон Неймана распространена гораздо больше, она применяется, например, в ПК и в сложных микрокомпьютерах. Гарвардская архитектура применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Архитектура фон Неймана проще, не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. В системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт).

Гарвардская архитектура сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Преимущество Гарвардской архитектуры заключается в быстродействии. Обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени.

Поиск по сайту: