Механов, В.Б. Особенности архитектуры универсальных микропроцессоров

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ПГУ)

В. Б. Механов

ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ

УНИВЕРСАЛЬНЫХ

МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Учебное пособие

Пенза

Издательство ПГУ

2010

УДК 681.32

М55

Механов, В. Б.

Особенности архитектуры универсальных мик-

ропроцессоров : учебное пособие / В. Б. Механов. –

Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – 176 с.

В издании рассмотрены основные семейства современных универсаль-

ных микропроцессоров, применяемых в микропроцессорных системах, персо-

нальных компьютерах, серверах и рабочих станциях. Дается классификация

микропроцессоров и приводятся краткие характеристики их разновидностей.

Подробно рассматриваются вопросы эволюции архитектур универсальных

микропроцессоров, проводится их сравнительный анализ. Показаны основные

тенденции и перспективы развития этого класса вычислительных устройств.

Предназначено для студентов, изучающих специальности и направления

подготовки в рамках укрупненной группы «Информатика и вычислительная

техника».

УДК 681.32

университет», 2010

Предисловие

Первый в мире микропроцессор был создан в 1971 г. фир-

мой Intel. Имена его создателей – Теда Хоффа, Федерико Фед-

жина и Стена Мейзора – внесены в список лауреатов Нацио-

нального зала славы изобретателей США.

За время своего развития микропроцессоры претерпели ги-

гантские изменения. Первый кристалл Intel 4004 работал на часто-

те 108 КГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200 долл.

Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в се-

кунду. На сегодня рекордные показатели принадлежат микро-

процессорам Itanium, разрабатываемым совместно фирмами Intel

и Hewlett-Packard, и составляют более 2 ГГц, около миллиарда

транзисторов на кристалле, несколько миллиардов операций в

секунду, около 3000 долл. соответственно.

Гордон Мур (Gordon Moore) - основатель и председатель

совета директоров фирмы Intel, дал очень образную оценку ус-

пехов микропроцессорной индустрии: «Если бы автомобиле-

строение эволюционировало со скоростью полупроводниковой

промышленности, то сегодня «Роллс-Ройс» стоил бы 3 долл.,

мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и

было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку».

Во всем мире микропроцессорной технике уделяется сей-

час очень большое внимание. В формируемом ежегодно в США

группой экспертов перечне «критических технологий», охваты-

вающих практически все направления производства, исследова-

ний и разработок, оказывающих влияние на военный и эконо-

мический статус страны, микроэлектронные технологии тради-

ционно занимают первое место.

Список сокращений

АЛУ – арифметико-логическое устройство

АР – арифметический регистр

АСП – арифметический сопроцессор

БАД – буфер шины адреса/данных

БАС – буфер шины адреса/состояния

БИС – большая интегральная схема

БР – буфер регистра

ВВ – временное вещественное

ВУ – внешнее устройство

ДВ – длинное вещественное

ДД – двоично-десятичный

ДЦ – длинное целое

ЗУ – запоминающее устройство

КВ – короткое вещественное

КЦ – короткое целое

МП – микропроцессор

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ОС – операционная система

ПДП – прямой доступ к памяти

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ПО – программное обеспечение

УУ – управляющее устройство

ЦП – центральный процессор

ЦС – целое слово

ША – шина адреса

ШАД – шина адреса/данных

ШД – шина данных

1. Классификация, назначение

и основные характеристики

микропроцессоров

1.1. Классификация микропроцессоров

К настоящему времени в мире разработано и выпускается

громадное количество разновидностей микропроцессорных

схем, которые могут быть расклассифицированы по самым раз-

личным критериям. Например: по технологии изготовления кри-

сталла, функциональному назначению, быстродействию, раз-

рядности, типу корпуса, архитектурным особенностям и т.д. В

этой связи наиболее всеобъемлющей и наглядной представляет-

ся классификация по функциональному назначению и архитек-

турным особенностям (рис. 1.1).

Рассмотрим назначение и особенности микропроцессоров

(МП) согласно приведенной классификации.

1.1.1. Универсальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры предназначены для при-

менения в вычислительных системах, персональных ЭВМ, ра-

бочих станциях, а в последнее время и в массово-параллельных

суперЭВМ. Основной их характеристикой является наличие

развитых устройств для эффективной реализации операций с

плавающей точкой над 64-разрядными и более длинными опе-

рандами. Предназначаются в основном для проведения научно-

технических расчетов.

Как видно из рис. 1.1, среди универсальных различают МП

с фиксированной системой команд и разрядностью и секциони-

рованные МП с микропрограммным управлением. Подавляющее

большинство современных МП относятся к первой категории.

В свою очередь, МП с фиксированной системой команд по

особенностям своей организации подразделяются на процессо-

ры RISC и CISC.

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров по функциональному назначению и архитектуре

RISC – Reduced (Restricted) Instruction Set Computer –

процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд.

В этих процессорах используются отдельные наборы команд для

работы с памятью и отдельные наборы команд для преобразова-

ния информации в регистрах процессора. Каждая такая команда

единообразно разбивается на небольшое количество этапов с

одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешиф-

рация команды, исполнение, запись результата), что позволяет

строить эффективный конвейер процессора, способный каждый

такт выдавать результат исполнения очередной команды.

После обособления RISC-процессоров в отдельный класс

процессоры с традиционными наборами команд стали называть-

ся CISC-процессорами. CISC – Complex Instruction Set Com-

puting – процессоры (компьютеры) с полным набором инструк-

ций, к которым относится и семейство Intel х86. Как правило, в

этих процессорах команды имеют много разных форматов и тре-

буют для своего представления различного числа ячеек памяти.

Это обусловливает определение типа команды в ходе ее дешиф-

рации при исполнении, что усложняет устройство управления

процессора и препятствует повышению тактовой частоты до

уровня, достижимого в RISC-процессорах на той же элементной

базе.

Очевидно, что RISC-процессоры эффективны в тех облас-

тях применения, в которых можно продуктивно использовать

структурные способы уменьшения времени доступа к оператив-

ной памяти. Если программа генерирует произвольные последо-

вательности адресов обращения к памяти и каждая единица дан-

ных используется только для выполнения одной команды, то

фактически производительность процессора определяется вре-

менем обращения к основной памяти. В этом случае использо-

вание сокращенного набора команд только ухудшает эффектив-

ность, так как требует пересылки операндов между памятью и

регистром вместо выполнения команд типа «память, память –

память». Программист должен учитывать необходимость ло-

кального размещения обрабатываемых данных, чтобы при пере-

сылках между уровнями памяти по возможности все данные пе-

ресылаемых блоков данных принимали участие в обработке. Ес-

ли программа будет написана так, что данные будут размещены

хаотично и из каждого пересылаемого блока данных будет ис-

пользоваться только небольшая их часть, то скорость обработки

замедлится в несколько раз – до скорости работы основной па-

мяти.

Доминирующее положение на рынке универсальных МП

занимают МП компании Intel и их клоны с системой команд х86.

Ежегодно в мире выпускается более 100 млн штук этих микро-

процессоров. Основные компании, участвующие или участво-

вавшие в разработке и производстве этих процессоров, показа-

ны на рис. 1.1. Между производителями идет острая конкурент-

ная борьба.

Общими особенностями большинства современных уни-

версальных МП являются:

– высокоскоростная обработка 64-разрядных операндов с

фиксированной и плавающей точками;

– сложная схемотехника функциональных узлов, обуслов-

ленная использованием большого числа транзисторов (до не-

скольких десятков миллионов штук);

– большое число слоев металлизации (до 10);

– производительность, приближающаяся или превышаю-

щая миллиард операций в секунду.

Общей тенденцией является также сочетание в одном кри-

сталле особенностей RISC- и CISC-архитектур.

До последнего времени лидерами по производительности

среди всех универсальных МП являлись микропроцессоры

Alpha фирмы DEC. Однако с появлением на рынке микропро-

цессоров Itanium фирм Intel и Hewlett-Packard лидерство пере-

шло к ним.

Секционированные МП без фиксированной системы

команд предназначены для построения широкого класса быст-

родействующих средств вычислительной техники – от микро-

контроллеров до высокопроизводительных ЭВМ. Микропро-

граммируемость и возможность разрядного расширения позво-

ляют эмулировать практически любую систему команд, что де-

лает данную архитектуру очень гибкой. Однако в настоящее

время секционированные микропроцессоры практически вытес-

нены с рынка однокристальными МП.

1.1.2. Сигнальные микропроцессоры

(МП цифровой обработки сигналов)

Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обра-

ботку в реальном времени потоков данных, образованных путем

оцифровывания аналоговых сигналов. К их особенностям отно-

сятся:

– малоразрядная (40 разрядов и менее) обработка чисел с

плавающей точкой;

– преимущественное использование чисел с фиксирован-

ной точкой разрядности 32 и менее;

– ориентация на несложную обработку больших массивов

данных.

Отличительной особенностью задач цифровой обработки

сигналов является поточный характер обработки больших объе-

мов данных в реальном масштабе времени, требующий от тех-

нических средств высокой производительности и обеспечения

возможности интенсивного обмена с внешними устройствами.

Соответствие данным требованиям достигается в настоящее

время благодаря специфической архитектуре сигнальных про-

цессоров, проблемно-ориентированной системе команд.

Сигнальные процессоры обладают высокой степенью спе-

циализации.

Для сигнальных процессоров характерным является нали-

чие аппаратного умножителя, позволяющего выполнять умно-

жение двух чисел за один командный такт. В универсальных

процессорах умножение обычно реализуется за несколько так-

тов, как последовательность операций сдвига и сложения. Дру-

гой особенностью сигнальных процессоров является включение

в систему команд таких операций, как умножение с накоплени-

ем МАС (С := А

∙ В

+ С) с указанным в команде числом выпол-

нений в цикле и с правилом изменения индексов i и j исполь-

зуемых элементов массивов А и В), инверсия бит адреса, разно-

образные битовые операции. В сигнальных процессорах реали-

зуется аппаратная поддержка программных циклов, кольцевых

буферов. Один или несколько операндов извлекаются из памяти

в цикле исполнения команды.

Реализация однотактного умножения и команд, исполь-

зующих в качестве операндов содержимое ячеек памяти, обу-

словливает сравнительно низкие тактовые частоты работы этих

процессоров. Специализация не позволяет поднимать произво-

дительность за счет быстрого выполнения коротких команд типа

R,R → R, как это делается в универсальных процессорах. Этих

команд просто нет в программах обработки сигналов.

Сигнальные процессоры различных компаний-производи-

телей образуют два класса, существенно различающиеся по це-

не: более дешевые микропроцессоры с обработкой данных в

формате с фиксированной точкой и более дорогие микропроцес-

соры, аппаратно поддерживающие операции над данными в

формате с плавающей точкой.

Использование в сигнальной обработке данных в формате

с плавающей точкой обусловлено несколькими причинами. Для

многих задач, связанных с выполнением интегральных и диф-

ференциальных преобразований, особую значимость имеет точ-

ность вычислений, обеспечить которую позволяет экспоненци-

альный формат представления данных. Алгоритмы компрессии,

декомпрессии, адаптивной фильтрации в цифровой обработке

сигналов связаны с определением логарифмических зависимо-

стей и весьма чувствительны к точности представления данных

в широком динамическом диапазоне.

Работа с данными в формате с плавающей точкой сущест-

венно упрощает и ускоряет обработку, повышает надежность

программы, поскольку не требует выполнения операций округ-

ления и нормализации данных, отслеживания ситуаций потери

значимости и переполнения.

Платой за эти дополнительные «комфорт и скорость» явля-

ется высокая сложность функциональных устройств, выпол-

няющих обработку данных в формате с плавающей точкой, не-

обходимость использования более сложных технологий произ-