Механов, В.Б. Особенности архитектуры универсальных микропроцессоров

Подождите немного. Документ загружается.

существенно повысить производительность. Результат оказался

впечатляющим – популярные компьютеры Siclair, построенные

на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающую

компьютерам IBM PC (Personal Computer) на 16-разрядном про-

цессоре 286.

Первый 16-разрядный процессор 8086, который, как выяс-

нилось в дальнейшем, является «родоначальником» большого

семейства микропроцессоров, получившего название «х86»,

фирма Intel выпустила в 1978 г. Частота 5 МГц, производитель-

ность 0,33 MIPS, но инструкции уже с 16-битными операндами

(позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм,

29 тыс. транзисторов. Адресуемая память – 1 Мб. Регистровая

архитектура и система команд существенно отличалась от 8080,

но, естественно, прослеживаются общие идеи. Через год появил-

ся 8088 – тот же процессор, но с 8-битной шиной данных. С него

началась история IBM PC, наложившая свой отпечаток на даль-

нейшее развитие этой линии процессоров Intel. Массовое рас-

пространение и открытость архитектуры PC привели к лавино-

образному появлению программного обеспечения, разрабаты-

ваемого крупными, средними и мелкими фирмами и энтузиа-

стами-одиночками. Технический прогресс требовал (и сейчас

требует) развития процессоров, но груз программного обеспече-

ния PC, которое должно работать и на более новых процессорах,

в свою очередь требовал обеспечения обратной программной

совместимости. Таким образом, все нововведения в архитектуре

последующих процессоров должны были пристраиваться к су-

ществующему ядру.

При этом, естественно, возникали трудноразрешимые тех-

нические проблемы. Фирма Intel зарезервировала первые 32 век-

тора «для служебного пользования», однако на них «наехали»

прерывания BIOS PC. Один из результатов – дополнительный

способ обработки исключений сопроцессора, применяемый

в старших моделях PC.

Процессор 80286, знаменующий следующий этап архитек-

туры, появился только в 1982 г. Он уже имел 134 тыс. транзи-

сторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической

памяти. Его принципиальные новшества – защищенный режим

и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового

применения, процессор большей частью использовался как

очень быстрый 8088.

Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 г. мо-

делью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность ши-

ны данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адре-

суемая физическая память – 4 Гб. Появились новые регистры,

новые 32-битные операции, существенно доработан защищен-

ный режим, появился режим V86, страничное управление памя-

тью. Процессор нашел широкое применение в ПК, и на благо-

датной почве его новых свойств стал разрастаться «самый боль-

шой вирус» – MS Windows с приложениями.

С этого времени стала заметна тенденция «положительной

обратной связи»: на появление нового процессора производите-

ли программного обеспечения (ПО) реагируют выпуском новых

привлекательных продуктов, последующим версиям которых

становится явно тесно в рамках этого процессора. Появляется

более производительный процессор, но после непродолжитель-

ного восторга и его ресурсы «съедают» и т.д. Это «вечное дви-

жение», конечно, естественно, но есть обоснованное подозрение,

что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, рас-

слабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в

поисках более эффективных способов решения задачи. Приме-

ром эффективного программирования можно считать игрушки

на

Siclair ZX-Spectrum, которые реализуются на «игрушечных» ре-

сурсах – 8-битном процессоре и 64 (128) Кб ОЗУ. С противопо-

ложными примерами большинство пользователей персональных

компьютеров сталкиваются регулярно, но с ресурсами и воз-

можностями современных микропроцессоров на них не всегда

обращают внимание.

История процессора 386 напоминает историю 8086: пер-

вую модель с 32-битной шиной данных (впоследствии назван-

ной 386DX) сменил 386SX с 16-битной шиной. Он довольно

легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся

на процессоре 286.

Процессор Intel 486DX появился в 1989 году. Транзисторов

- 1,2 млн, технология 1 мкм. От 386-го существенно отличается

размещением на кристалле первичного кэша и встроенного ма-

тематического сопроцессора (предыдущие процессоры имели

возможность использования внешних сопроцессоров с марки-

ровкой х87).

Кроме того, для повышения производительности в этом

CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро.

Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием

или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего ум-

ножения частоты, политикой записи кэша и др. Занялись энер-

госбережением (появился режим SMM – System Management

Mode), что отразилось и в продолжении линии 386 процессоров

(появился процессор Intel 386SL).

В 1993 г. фирма Intel изменила маркировку своих новых

микропроцессоров пятого поколения. Вместо анонсированных

ранее микропроцессоров Intel 80586 появились первые процес-

соры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – 32-разрядные процессо-

ры с 64-битной шиной данных, количеством транзисторов на

кристалле 3,1 млн, с питанием +5 В и выполненных по техноло-

гии 0,8 мкм. Смена названия явилась следствием не только

PR-хода – показать «революционность» нового микропроцессо-

ра, но и необходимостью отсечь «пиратские клоны» кристалла

80586, появившиеся в Юго-Восточной Азии ранее оригиналов.

От 486-го Pentium принципиально отличается суперскалярной

архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвей-

еров до двух инструкций (что, конечно, не означает возможно-

сти прохождения инструкции через процессор за полтакта или

один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и

покупателей ПК сдерживался его очень высокой ценой. Кроме

того, возник скандал с обнаруженной ошибкой сопроцессора.

Хотя фирма Intel математически обосновала невысокую вероят-

ность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла

на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправ-

ленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появив-

шиеся в 1994 г., представляли собой уже вторую линейку про-

цессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они

выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить по-

требляемую мощность. От первой линейки они отличались внут-

ренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных

конфигураций и имели другой тип корпуса. Появились версии

(75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений

(блокнотных ПК). Процессоры Pentium стали весьма популяр-

ными в ПК. В 1995 г. появились процессоры на 120 и 133 МГц,

выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры

на 120 МГц делались еще по технологии 0,6 мкм). 1996-й назы-

вают годом Pentium - появились процессоры на 150, 166 и

200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором для ПК широко-

го применения.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium

Pro, который фирма Intel относила уже к шестому поколению

своего семейства. Он отличался новшествами «динамического

исполнения инструкций», направленными на увеличение числа

параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпу-

се разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб.

Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95

его применение не дало преимуществ. Процессор содержит 5,5

млн транзисторов ядра и 15,5 млн транзисторов для вторичного

кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц

появился в начале 1995 г. (технология 0,6 мкм), а уже в конце

года появились процессоры с частотой 166, 180 и 200 МГц (тех-

нология 0,35 мкм), у которых кэш достигал и 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 г. появились про-

цессоры Pentium ММХ. Расширение ММХ предполагает парал-

лельную обработку группы операндов одной инструкцией. Тех-

нология ММХ была призвана ускорять выполнение мультиме-

дийных приложений, в частности операции с изображениями и

обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде

разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработ-

ки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях

упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность

ставит под сомнение применение ММХ в декодерах видеоизоб-

ражений, в которых требуется обработка 80-битных операндов.

Кроме расширения ММХ, эти процессоры, по сравнению с

обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и

некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium

Pro, что повышает производительность процессора Pentium

ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ

имеют уже 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии

0,35 мкм.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium

Pro, в мае 1997 г. появился процессор Pentium II. Он представля-

ет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более вы-

сокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддерж-

ку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном кор-

пусе с процессором преодолели нехитрым способом – кристалл

с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и

дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, размести-

ли на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы за-

крыты общей крышкой и охлаждаются специальным вентилято-

ром. Тактовые частоты ядра – 233, 266 и 300 МГц.

В 1998 г. появились микропроцессоры Pentium II, выпол-

ненные по технологии 0,25 мкм. Они имели тактовые частоты

до 450 МГц и увеличенную до 100 МГц частоту системной

шины, что стало возможным за счет уменьшения размеров эле-

ментов.

В 1999 г. появился микропроцессор Pentium III, кристалл

которого фирма Intel маркировала как «Pentium !!!». Он имел

уже тактовую частоту до 1 ГГц и обеспечивал поддержку 70 но-

вых команд, реализующих улучшенные возможности обработки

изображений, трехмерной графики, потокового видео и аудио, а

также распознавания речи. На этом кристалле впервые появился

серийный номер, который является уникальным идентификато-

ром процессора и может быть использован для идентификации

компьютера в сети или со стороны прикладных программ. Pen-

tium III выпускался по технологиям 0,25 или 0,18 мкм с частотой

системной шины 100 или 133 МГц.

Последняя модель семейства х86, обеспечивающая про-

граммную совместимость «снизу вверх», – 32-разрядный микро-

процессор Pentium IV, появился в 2000 г. Он выполнялся по тех-

нологии 0,18 или 0,13 мкм, имел тактовые частоты до 4 ГГц и

содержал 42 млн транзисторов на кристалле. Основным отличи-

ем данного микропроцессора от предыдущих моделей является

поддержка гиперпоточности (Hyper-Threading). Суть этой техно-

логии заключается в том, что в кристалл процессора добавлено

несколько блоков, позволяющих одному физическому процессо-

ру распознаваться и работать в системе как два логических про-

цессора, каждый из которых может быть загружен своей зада-

чей.

В процессорах рассматриваемого семейства, начиная

с 486-го, применяется комбинированная архитектура – CISC-

процессор имеет RISC-ядро. Все модели данного семейства, на-

чиная с 8086-го и заканчивая Pentium IV, включают в себя под-

множество системы команд и архитектуры нижестоящих моде-

лей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Ос-

новные параметры микропроцессоров семейства Intel x86 при-

ведены в табл. 2.1.

Конечно же, перечисленными моделями не исчерпывается

весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только пред-

ставители одного семейства процессоров фирмы Intel, имеющих

обобщенное название х86 (исключая 4- и 8-разрядные процессо-

ры). Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, Sun MicroSys-

tems и др.) имеют разработки, существенно отличающиеся от

данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel.

Среди них есть и гораздо более мощные процессоры, относя-

щиеся к классам как RISC-, так и CISC-архитектур. Однако про-

цессоры семейства х86 имеют на настоящий момент самую

сложную в мире систему команд и, бесспорно, превосходят дру-

гие модели по числу установленных в компьютерах.

Фирма Intel в дальнейшем отказалась от своих планов раз-

работки микропроцессоров седьмого поколения семейства х86

(рабочие названия Р7 и Merced) и, объединив свои интеллекту-

альные, финансовые и материальные ресурсы с фирмой Hewlett-

Packard (которая в свое время «поглотила» фирмы DEC и Com-

pag), переключилась на разработку и производство принципи-

ально новых 64-разрядных микропроцессоров, получивших на-

звание Itanium. Первые кристаллы с архитектурой IA-64 (в осно-

ве лежит параллельная обработка команд с явным параллелиз-

мом – Explicitly Parallel Instruction Computing) появились в 2001

г., однако проблемы с серийным выпуском этих микропроцессо-

ров продолжались еще несколько лет. Примерные параметры

первой линейки микропроцессоров Itanium также приведены в

табл. 2.1 (ЦП – центральный процессор, ШД – шина данных).

Таблица 2.1

Модель

Год выпуска

Разрядность

ЦП (бит)

Разрядность

ШД (бит)

Адресуемая

память

Тактовая

частота (МГц)

Разрешение

(мкм)

Число

транзисторов

на кристалле

(тыс.)

4004 1971

4 4 640 байт 0,108 10 2,3

8008 1972

8 8 16 Кб 0,2; 0,5 10 3,5

8080 1974

8 8 64 Кб 2,0 6 6,0

8085 1975

8 8 64 Кб 5,0 3 6,5

8086 1978

16 16 1 Мб до 10,0 3 29,0

8088 1979

16 8 1 Мб до 10,0 3 29,0

80286 1982

16 16 16 Мб до 25,0 1,5 134,0

80386 1985

32 32 4 Гб до 33,0 1,5 275,0

80386SX 1986

32 16 16 Мб 16,0 1,5 275,0

80486 1989

32 32 4 Гб до 33,0 1,0 1200,0

Pentium 1993

32 64 4 Гб до 66,0 0,8 3100,0

Pentium 1994

32 64 4 Гб до 100,0

0,6 3400,0

Pentium 1996

32 64 4 Гб до 200,0

0,35 4500,0

Pentium Pro

1995

32 64 4 Гб до 200,0

0,35 5500,0

Pentium

MMX

1997

32 64 4 Гб До 200,0

0,35 4500,0

Pentium II 1997

32 64 64 Гб от 233,0 0,25/0,18

7500,0

Pentium III

1999

32 64 64 Гб до 1 ГГц

0,25/0,18

9500,0

Pentium IV

2000

32 64 64 Гб до 4 ГГц

0,18/0,13

42000,0

Itanium 2001

64 64

Несколько

терабайт

до 2 ГГц

0,13/0,09

221000,0

2.2. Конструктивная реализация

и назначение выводов МП

Микросхема Intel 8086 (отечественный аналог – микросхе-

ма К1810ВМ86) представляет собой однокристальный 16-бито-

вый МП, выполненный по n-МОП-технологии. Кристалл микро-

схемы с геометрическими размерами 5,5×5,5 см содержит около

29000 транзисторов и потребляет 1,7 Вт от источника питания

+5 В. Корпус микросхемы имеет 40 контактов. Синхронизирует-

ся однофазными импульсами с частотой повторения 25 МГц от

внешнего тактового генератора. Основные операции обработки

данных (сложение, вычитание, логические действия) типа ре-

гистр-регистр выполняются за три такта, что обеспечивает бы-

стродействие 1,66∙10

оп/с при периоде тактовых импульсов 200

нс. С максимальной быстротой (за два такта) выполняются ре-

гистровые пересылки, а также некоторые однооперандные ко-

манды (например, сдвиг на один бит, инкремент, декремент,

управление флагами).

Схемотехническое изображение МП показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Условное обозначение микропроцессора Intel 8086

Назначение выводов зависит от режима работы МП. Во-

семь выводов имеет двойное обозначение, причем обозначения

в скобках за пределами условного графического изображения

соответствуют максимальному режиму. Рассмотрим подробнее

функциональное назначение сигналов МП и особенности их ис-

пользования сначала в минимальном режиме.

AD15-AD0 (Address/Data) – мультиплексная (совмещен-

ная) двунаправленная шина адреса/данных, по которой с разде-

лением во времени передаются адресная информация и данные.

Работа по этим выводам осуществляется следующим образом.

В первом такте цикла шины – цикла обращения к ЗУ или внеш-

нему устройству (ВУ) – МП выдает на эту шину младшие 16 бит

адреса памяти или полный адрес внешнего устройства. Этот ад-

рес обязательно должен быть зафиксирован и сохранен в тече-

ние всего цикла, для чего используется внешний регистр-

защелка, куда записывается адресная информация с помощью

строба адреса ALE. Регистр-защелка должен иметь три стабиль-

ных выходных буфера и обеспечивать малое время переключе-

ния при большой нагрузочной способности. Во второй половине

цикла шины по линиям AD15-AD0 передаются адреса данных

или байты команд, сопровождаемые стробом данных DEN.

A19/S6-A16/S3 (Address/State) – мультиплексные выход-

ные линии адреса/состояния. Работа осуществляется следую-

щим образом. В первом такте на эти линии выдаются старшие

4 бит адреса памяти, а при адресации ВУ – нули. В остальных

тактах цикла шины МП выдает на эти линии сигналы состояния

S6–S3. Код на линиях S4, S3 определяет сегментный регистр,

участвующий в формировании физического адреса памяти, т.е.

указывает сегмент памяти, к которому производится обращение

в текущем цикле. При обращении к ВУ, когда сегментные реги-

стры не участвуют в формировании адреса, устанавливается зна-

чение S4 = 1, S3 = 0.

Сигнал S5 соответствует состоянию флага разрешения пре-

рываний IF: 0 – прерывания запрещены, 1 – прерывания разре-

шены. Сигнал S6 не используется и всегда равен нулю.

ВНЕ (Byte High Enable) – разрешение старшего байта.

Формируется в первом такте цикла одновременно с адресной

информацией. Активный сигнал нулевого уровня ВНЕ означает,

что по старшей половине AD15–AD8 шины адреса/данных пе-

редаются 8-битовые данные. Совместное использование ВНЕ и

младшей линии адреса А0 для дешифрации адресов позволяет

осуществлять передачу слов или отдельных байтов по шине АD.

ALE (Address Lock Enable) – строб адреса (разрешение

защелкивания адреса), выдается в начале каждого цикла шины и

используется для записи адреса в регистр-защелку, т.е. для де-

мультиплексирования шины АD.