В чем заключается назначение процессора. Курсовая работа обзор современных процессоров пк
Процессор
- центральное устройство компьютера.
Назначение процессора:
1) управлять работой ЭВМ по заданной программе;
2) выполнять операции обработки информации.
Микропроцессор (МП) - это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора ПК. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле (или нескольких кристаллах) путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд (ЯМК). Из команд ЯМК составляют программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) компьютера. В ЯМК существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции, операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.
Устройство процессора.
В состав процессора входят следующие устройства: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры процессорной памяти. УУ управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе. УУ извлекает очередную команду из регистра команд, определяет, что надо делать с данными, а затем задает последовательность действий выполнения поставленной задачи. (Функцию устройства управления можно сравнить с работой дирижера, управляющего оркестром. Своеобразной "партитурой" для УУ является программа.)
АЛУ - вычислительный инструмент процессора; это устройство выполняет арифметические и логические операции по командам программы.
Регистры - это внутренняя память процессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. Предположим, что у процессора возникла необходимость сложить два числа. Для этого ему нужно считать из памяти первое слагаемое, затем - второе слагаемое, сложить их и, если необходимо, отправить результат снова в оперативную память. Стало быть, процессору необходимо где-то хранить первое и второе слагаемое, а затем и результат. Для этого служит внутренняя ячейка самого процессора, называемая сумматор, или аккумулятор. Кроме того, процессору необходимо знать, из какой ячейки оперативной памяти считывать очередную команду. Об этом ему сообщает содержимое его внутренней ячейки, называемой счетчиком команд. Сама команда после извлечения из оперативной памяти помещается в ячейку - регистр команд. Полученный после выполнения команды результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
- сумматор - регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
- счетчик команд - регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
- регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения.
Все устройства процессора обмениваются между собой информацией с помощью внутренней шины данных. Современные процессоры имеют и другие части, но три перечисленные выше, вместе со связующим звеном - внутренней шиной данных - необходимый минимум.
Схема машинного цикла
Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:
из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
все предыдущие этапы повторяются до достижения команды "стоп".
А теперь более подробно рассмотрим, как выполняется кусочек программы, в котором есть все то же сложение двух чисел. Итак:
1.
Устройство управления смотрит, что находится в счетчике команд.
2.
Набор из ноликов и единичек из соответствующей ячейки ОЗУ записывается в регистр команд. В процессе его декодирования устройство управления распознало команду вызова другой ячейки оперативной памяти в сумматор.
3.
Номер ячейки - первого операнда (первого слагаемого) - записывается в регистр адреса.
4.
Устройство управления считывает данные из оперативной памяти,
согласуясь с регистром адреса, в сумматор.
Выборка и выполнение первой команды закончились. К этому времени
счётчик команд автоматически увеличивается на 1.
1.
Устройство управления переписывает содержимое следующей ячейки
оперативной памяти, на которую указывает счётчик команд, в регистр команд.
2.
Это оказалась команда сложения сумматора с ячейкой оперативной
памяти. Её адрес располагается в регистре адреса, который уже изменился в процессе декодирования команды сложения устройством управления.
3.
Данные из оперативной памяти из ячейки, на которую указывает регистр адреса, считывается и складываются с сумматором. Результат остается в сумматоре.
Закончились выборка и выполнение второй команды. Получена сумма
двух чисел, и она располагается в сумматоре... И так далее. Операция выборки-выполнения называется ещё циклом выборки-выполнения, или машинным циклом.
Характеристики процессора.
1.Тактовая частота.
Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты (ГТЧ). ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри компьютера. В ритме этого метронома работает процессор. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если "метроном стучит" быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах - МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в 1 секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц,130 МГц и др.
2.Разрядность процессора.
Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут образовываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 2 байта, то разрядность процессора равна 16(8*2); если 4 байта, то 32, если 8 байт, то 64.
Ячейка - это группа последовательных байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Очевидно, размер ячейки памяти и машинного слова равен разрядности процессора. Обмен информацией между процессором и внутренней памятью производится машинными словами.
Адрес ячейки памяти равен адресу младшего байта (байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек памяти начинается с нуля. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове (изменяются через 2, или через 4, или через 8). Еще раз подчеркнем: ячейка - это вместилище информации, машинное слово - это информация в ячейке.
3.Адресное пространство.
По адресной шине процессор передает адресный код - двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство - это диапазон адресов (множество адресов), к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n бит, то размер адресного пространства равен 2n байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины). Например, если компьютер имеет 16-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 216=64 Кб, а при 32-разрядной адресной шине адресное пространство равно 232=4 Гб.
Принципы Джона фон Неймана.
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.
1. Принцип программного управления.
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп". Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти.
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции; перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
3. Принцип адресности.
Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без "счетчика команд", указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
Системный блок – основная часть компьютера. Он состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены кабелями клавиатура, мышь и монитор. Внутри системного блока расположены:
· микропроцессор, который выполняет все поступающие команды, производит вычисления и управляет работой всех компонентов компьютера;
· оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;
· системная шина, осуществляющая информационную связь между устройствами компьютера;
· материнская плата, на которой находятся микропроцессор, системная шина, оперативная память, коммуникационные разъемы, микросхемы управления различными компонентами компьютера, счётчик времени, системы индикации и защиты;
· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
· вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;
· устройства внешней памяти, к которым относятся накопители на гибких и жестких магнитных дисках, дисковод для компакт-дисков СD-ROM, предназначенные для длительного хранения информации.
Аппаратной основой системного блока является материнская плата - самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и с помощью системы прерываний взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате расположены все важнейшие микросхемы.
Персональные компьютеры делятся на стационарные и портативные . Стационарные обычно устанавливаются рабочем столе. Портативные компьютеры делятся на следующие категории:
1. переносные (portable), которые имеют небольшую массу и габариты и поддаются транспортировке одним человеком;
2. наколенные (laptop), выполненные в виде дипломата;
3. блокнотные (notebook), имеющие габариты большого блокнота;
4. карманные (pocket), которые помещаются в карман.
В соответствии с вышеприведенной классификацией, системные блоки могут иметь следующие типы корпусов:
Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.
Состав и характеристики центрального процессора
В состав центрального процессора входят:
- устройство управления (УУ) - организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.
- Запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора (это внутренняя память процессора). Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.
- Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.
К основным характеристикам процессора относятся:
- Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.
- Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и т. д. До 3ГГц Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, входящих в их состав. Ниже приведены названия наиболее массовых процессоров, выпущенных фирмой Intel и годы их создания: 8080 (1974 г.), 80286 (1982 г.), 80386DX (1985 г.), 80486DX (1989 г.), 80586 или Pentium (1993 г.), Pentium Pro (1995 г.), Pentium II (1997 г.), Pentium III (1999 г.), Pentium IV (2001 г.). Как видно, увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров лидирующее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron.
- Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.
Для пользователей процессор интересен прежде всего своей системой команд и скоростью их выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.
Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор . Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.
Введение 3
Глава
1. Теоретическая
часть 4
1.1. Понятие и основные
характеристики процессов 4
1.2. Понятие прерывания
и основные виды прерываний 10
1.3. Архитектура
процессора 14
Глава
2. Обзор современных
процессоров ПК 17
2.1. Процессоры
семейства Intel 17
2.2. Процессоры
семейства AMD 23
Глава
3. Сайт, посвященный
теме курсовой работы 24
Заключение 28
Библиография 29
Введение
Компьютеры появились достаточно давно в нашем мире, но только в последнее время их начали так усиленно использовать во многих отраслях человеческой жизни. Ещё десять лет назад было редкостью увидеть какой-нибудь персональный компьютер - они были, но были очень дорогие, и даже не каждая фирма могла иметь у себя в офисе компьютер. А теперь? Теперь в каждом третьем доме есть компьютер, который уже глубоко вошёл в жизнь самих обитателей дома.Основным компонентом любого ПК является процессор. В настоящее время наиболее распространены процессоры фирмы Intel, хотя ЦП других фирм (AMD, Cyrix) составляют им достойную конкуренцию. Какую же информацию несёт в себе маркировка процессора? Рассмотрим, например, варианты 486SX-33,486DX2-50,486DX4-100. Это довольно старые модели процессоров. Первые три цифры указывают на серию. DX показывает наличие в процессоре специального блока для выполнения операций с плавающей точкой (сопроцессор), SX - на его отсутствие. Следующая цифра, если она имеется, говорит о том, во сколько раз частота работы ЦП больше, чем рабочая частота остального оборудования. Двойка свидетельствует об удвоении частоты, четвёрка - об утроении. Наконец, последние две или три цифры характеризуют рабочую частоту процессора. В настоящее время существуют намного более современные процессоры, такие как Intel Pentium 4, AMD Athlon 64 и т.д.
Глава
1. Процессоры ПК
1.1.
Понятие и основные
характеристики процессоров
Самым главным элементом
в компьютере, его "мозгом", является
микропроцессор - небольшая (в несколько
сантиметров) электронная схема, выполняющая
все вычисления и обработку информации.
Микропроцессор умеет производить сотни
различных операций и делает это со скоростью
в несколько десятков или даже сотен миллионов
операций в секунду. В компьютерах типа
IBM PC используются микропроцессоры фирмы
INTEL, а также совместимые с ними микропроцессоры
других фирм.
Каждый
микропроцессор имеет определенное
число элементов памяти, называемых
регистрами, арифметико-логическое устройство
и устройство управления. Регистры
используются для временного хранения
выполняемой команды, адресов памяти,
обрабатываемых данных и другой внутренней
информации микропроцессора.
В
арифметико-логическое устройство производится
арифметическая и логическая обработка
данных. Устройство управления реализует
временную диаграмму и вырабатывает
необходимые управляющие сигналы
для внутренней работы микропроцессора
и связи его с другой аппаратурой через
внешние шины микропроцессора.
Структуры
различных типов микропроцессора
могут существенно различаться,
однако с точки зрения пользователя
наиболее важными параметрами являются
архитектура, адресное пространство памяти,
разрядность шины данных, быстродействие.
Архитектуру микропроцессора определяет
разрядность слова и внутренней шины,
данных микропроцессора. Первые микропроцессоры
основывались на 4-разрядной архитектуре.
Первые ПЭВМ использовали микропроцессоры
с 8-разрядной архитектурой, а современные
микропроцессоры основаны на 32- и 64-разрядной
архитектуре.
Микропроцессоры
отличаются друг от друга двумя характеристиками:
типом (моделью), частотой системной
шины и тактовой частотой. Наиболее
распространены модели INTEL-8088, 80286, 80386sx,
80386, 80486 и PENTIUM, они приведены в порядке
возрастания производительности и цены.
Одинаковые модели микропроцессоров могут
иметь разную тактовую частоту - чем выше
тактовая частота, тем выше производительность
и цена микропроцессора.
Тактовая
частота указывает, сколько элементарных
операций (тактов) микропроцессор выполняет
в 1 секунду. Тактовая частота измеряется
в МГц. Следует заметить, что разные
модели микропроцессоров выполняют
одни и те же операции (например, сложение
и умножение) за разное число тактов. Чем
выше модель, тем, как правило, меньше тактов
требуется для выполнения одних и тех
же операций. Поэтому, например, микропроцессор
INTEL-80386 работает раза в 2 быстрее INTEL-80286
с такой же тактовой частотой.
У
специалистов существует своя система
измерения скорости процессора. Причем
таких скоростей (измеряемых в миллионах
операций в секунду - MIPS) может
быть несколько - скорость работы с трехмерной
графикой, скорость работы в офисных приложениях
и так далее...
Модели
микропроцессоров: Исходные варианты
компьютеров IBM PC и модель IBM PC XT используют
INTEL-8088. В начале 80-х годов эти
микропроцессоры выпускались с
тактовой частотой 4,77 МГц. Модель IBM PC XT
использовали более мощный INTEL-80286, и
ее производительность в 4-5 раз, больше,
чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали
на микропроцессоре с тактовой частотой
6 МГц. В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых
компьютеров была основана на достаточно
мощном микропроцессоре INTEL-80386. Этот микропроцессор
(называемый также 80386DX) работает в 2 раза
быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой
частотой. Диапазон тактовой частоты 80386DX-
от 25 до 40 МГц. В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен
новый микропроцессор PENTIUM (ранее анонсировавшийся
под названием 80586). Этот микропроцессор
еще более мощен, особенно при вычислениях
над вещественными числами. Все эти процессоры
отличаются друг от друга скоростью работы,
архитектурой, исполнением и внешним видом...
словом, буквально всем. Причем отличаются
не только количественно, но и качественно.
Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем
- к Pentium III была значительно расширена
система команд (инструкций) процессора.
В частности были добавлены инструкции
для работ с мультимедиа MMX.
Если
взять за точку отсчета изделия
«королевы» процессорного рынка, корпорации
Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров
этой фирмы сменилось восемь их поколений:
8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.
В
каждом поколении имеются модификации,
отличающиеся друг от друга назначением
и ценой. Например, в семействе Pentium числятся
три модификации - старшая, Xeon, работает
на мощных серверах серьезных учреждений.
Средняя модификация Pentium, трудится на
производительных настольных компьютерах,
ну и младшая Celeron верно служит простому
люду на домашних компьютерах. Схожая
ситуация - и в конкурирующем с Intel семействе
процессоров AMD, Для дорогих настольных
компьютеров и графических станций фирма
предлагает процессоры Athlon, а для недорогих
домашних ПК предназначен другой процессор
- Duron.
В
пределах одного поколения все ясно:
чем больше тактовая частота, тем
быстрее процессор. А как же быть,
если на рынке имеются два процессора
разных поколений, но с одинаковой тактовой
частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800...
Конечно, второй процессор поколения будет
работать быстрее - на 10-15 %, в зависимости
от задачи. Связано это с тем, что в новых
процессорах часто бывают встроены новые
системы команд-инструкций, оптимизирующих
обработку некоторых видов информации.
Например, в процессорах Intel начиная с
Pentium появилась новая система команд для
обработки мультимедиа-информации ММХ,
a Pentium III дополнительно оснащен новой системой
инструкций SSL.
Тип
ядра и технология производства. В пределах
одного поколения, даже одной модификации
процессоры могут отличаться технологией
производства и типом «ядра». Так 1999 году,
след за переходом на новую, 0,13-микроннную
технологию, произошла смена «ядер» у
процессоров Intel. Торговые марки остались
прежние (Pentium III и Celeron), однако на смену
«ядрам» под кодовым названием Katmai (Pentium
III)и Mendocino (Celeron). Пришло новое, под названием
Coppernine. Смена «ядра», конечно же, привела
к серьезным изменениям в производительности
процессоров, хотя их рабочая частота
осталась прежней. Именно поэтому продавцы
обычно указывают в прайс-листах, наряду
с поколением, модификацией и частотой
процессора, тип использованного в нем
«ядра». Например
Pentium
III (Coppernine) – 667,
Athlon
(Thtumderbird) – 800.
Очередную
смену «ядра» оба производителя
совершили в начале 2001 года. Так,
базовым «ядром» для процессоров
AMD в 2001 году стали Palomino (Athlon) и Morgan (Duron)
(0,13-микронная технология).
Форм-фактор.
То есть – тип исполнения процессора,
его внешности и способа подключения к
материнской плате.
Как
правило, все элементы процессора расположены
на одном и том же кристалле
кремния – и лишь в редких случаях
кэш-память второго уровня выносится
за пределы процессора. Обычно процессоры
первого типа – «все в одном» - квадратной
формы (тип разъема «Сокет»). Эдакий прямоугольный
корпус с торчащими из него ножками-контактами.
Процессоры второго типа куду более громоздки
– обе микросхемы размещены на небольшой
плате и надежно упрятаны в металлический
кожух. Обычно в формате «Слот» выпускаются
первые, пробные модели каждого нового
поколения процессора – позднее, по мере
обкатки технологии производства, их производители
переходят на более компактный и дешевый
формат «Сокет».
Еще
не так давно рынок не был избалован
обилием форм-факторов: разные процессоры
от разных фирм -производителей походили
друг на друга, как две капли воды, и могли
работать на одних и тех же материнских
платах. Ситуация начала меняться в 1995
году, а сегодня мы наблюдаем уже настоящий
«беспредел» многообразия несовместимых
друг с другом форм-факторов:
Старые
модели процессоров.
Процессоры
для разъема SuperSocket 7 – прцессоры
фирм AMD (К6, К6-2), Cyriх (М2), Centaur Technology (IDT).
Процессоры
для разъема Slot 1 – процессоры фирмы
Intel: Pentium II (233-450 МГц), Pentium III и Celeron (300-450
МГц).
Процессоры
для разъема Slot A – процессоры фирмы
AMD (Athlon).
Процессоры
для разъема Socket – 370 (PGA) – процессоры
фирмы Intel: Celeron (от 450 Мгц) и Pentium III (от 450
МГц).
Новые
модели процессоров.
Процессоры
для разъема Socket A - процессоры фирмы
AMD (Athlon Thunderbird, Duron).
Процессоры
для разъема FC-PGA – процессоры фирмы
Intel: Pentium III Coppermine (от 500МГц), Celeron Coppermine
(от 533 МГц).
Процессоры
для разъема Socket – 423 – Pentium 4.
Последний
технологический параметр процессора,
с которым нам придется столкнуться
в рамках этой главы это частота
системной шины. Связан он уже с
совершенно другим устройством -
материнской платой. Шиной называется
та аппаратная магистраль, по которой
идут от устройства к устройству данные.
Чем выше частота шины - тем больше данных
поступает за единицу времени к процессору.
Частота
системной шины прямо связана
и с частотой самого процессора через
так называемый «коэффициент умножения».
Процессорная частота - это и есть частота
системной шины, умноженная процессором
на некую заложенную в нем величину. Например,
частота процессора 500 МГц - это частота
системной шины в 100 МГц умноженная на
коэффициент 5.
Большинство
дорогих моделей процессором Intel как раз
и работает на частотах системной шины
100 и 133 МГц. А частота для старых моделей
Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц.
На такой частоте медленнее работает не
только процессор, но и вся система. Правда,
в конце 2000 года на рынке появились новые
модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие
частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium
4 к этому времени перешел на новую частоту
системной шины - 133 МГц, так что отставание
дешевых процессоров от дорогих сохранилось.
Схожая
ситуация наблюдается и у процессоров
AMD - правда, последние за счет умения.
Вот так и объясняется парадокс - частоты
процессоров одинаковы, ну а скорости
работы компьютеров отличаются на десятки
процентов. Правда, можно принудительно
заставить процессор работать на более
высокой частоте системной шины, чем та,
что предназначила для них сама природа
вкупе с инженерами Intel. Это издевательство
называется в компьютерных кругах «разгоном»
и, в случае удачи, резко повышает производительность
компьютера. Так, поднятие частоты системной
шины для процессора Celeron-600 (коэффициент
умножения 9) с 66 до 100 МГц не только увеличивает
скорость обмена данными по системной
шине, на и повышает скорость работы самого
процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не
все процессоры выдерживают «разгон»
- большинство в лучшем случае откажется
работать, ну а в худшем - выйдет из строя...
Но
время неумолимо шло и сегодняшние
процессоры от Intel быстрее своего прародителя
более чем в десять тысяч раз! А любой домашний
компьютер обладает мощностью и «сообразительностью»
во много раз большей, чем компьютер, управлявший
полетом космического корабля «Аполлон»
к Луне.
1.2.
понятие прерывания
и основные виды
прерываний
Прерывания
– механизм, позволяющий координировать
параллельное функционирование отдельных
устройств вычислительной системы и реагировать
на особые ситуации, возникающие при работе
процессора. Прерывания – принудительная
передача управления от выполняемой программы
к системе, происходящее при возникновении
определенного события. Основная цель
введения прерываний – реализация асинхронного
режима работы и распараллеливание работы
отдельных устройств вычислительного
комплекса. Механизм прерываний реализуется
аппаратно-программным способом. Прерывание
всегда влечет за собой изменение порядка
выполнения команд процессором. Механизм
обработки прерываний включает следующие
шаги: установление факта прерывания факта
прерывания и его идентификация; запоминание
состояния прерванного процесса (счетчика
команд, содержимого регистров процессора,
спецификации режима и др.); аппаратная
передача управления подпрограмме обработки
прерываний; сохранение информации о прерванной
программе, которую не удалось сохранить
на шаге 2 с помощью действий аппаратуры,
иногда большого объема информации; обработка
прерываний; восстановление информации,
относящейся к прерванному процессу; возврат
в прерванную программу. Шаги 1 – 3 реализуются
аппаратно, а шаги 4 –7 программно. Главные
функции механизма прерываний: распознавание
или классификация прерываний; передача
управления на обработку прерываний;
корректное возвращение к прерванной
программе. Прерывания, возникающие при
работе вычислительной системы, можно
разделить на два основных класса: внешние
(асинхронные); внутренние (синхронные).
Внешние прерывания вызываются асинхронными
событиями, которые происходят вне прерываемого
процесса, например: прерывания от таймера;
прерывания от внешнего устройства (прерывания
по вводу/выводу); прерывания по нарушению
питания; прерывания с пульта оператора
вычислительной системы; прерывания от
другого процессора или другой вычислительной
системы. Внутренние прерывания вызываются
событиями, которые связаны с работой
процессора и являются синхронными с его
операциями, например: нарушение адресации;
наличие в поле адреса несуществующей
инструкции; деление на нуль; переполнение
или исчезновение порядка; ошибка четности;
ошибка в работе различных аппаратных
устройств. Собственно программные прерывания
происходят по соответствующей команде
прерывания, то есть по этой команде процессор
производит те же действия, что и при обычных
внутренних прерываниях. Данный механизм
введен для того, чтобы переключение на
системные программные модули происходило
не как переход в подпрограмму, а как обычное
прерывание. Этим обеспечивается автоматическое
переключение процессора в привилегированный
режим с возможностью выполнения всех
команд. Сигналы, вызывающие прерывания,
формируются в процессоре или вне его,
они могут возникнуть одновременно. Выбор
одного их них происходит на основе приоритетов,
установленных для каждого их них. Наивысшим
приоритетом обладают прерывания от схем
контроля процессора. Учет приоритетов
может быть встроен в технические средства
или может определяться операционной
системой. Программно-аппаратное управление
порядком обработки сигналов прерывания
позволяет применять различные дисциплины
обслуживания прерываний. Распределение
прерываний по уровню приоритета (от низкого
к высокому): программные прерывания; прерывания
от внешних устройств: терминалов; прерывания
от внешних устройств: сетевого оборудования;
прерывания от внешних устройств: магнитных
дисков; прерывания от системного таймера;
прерывания от средств контроля процессора.
Процессор может обладать средствами
защиты от прерываний: отключение системы
прерываний; маскирование (запрет) отдельных
видов прерываний. Программное управление
средствами защиты от прерываний позволяет
ОС регулировать обработку сигналов прерывания:
обрабатывать сразу при поступлении; откладывать
обработку на некоторое время; полностью
игнорировать. Обычно операция прерывания
выполняется только после завершения
выполнения текущей команды. Сигналы прерывания
возникают в произвольные моменты времени,
поэтому к моменту обработки может накопиться
несколько сигналов. Сигналам прерывания
присваиваются приоритеты, в первую очередь
обрабатывается сигнал с более высоким
приоритетом.
Программное управление специальными
регистрами маски (маскирование сигналов
прерывания) позволяет реализовать различные
дисциплины обслуживания: с относительными
приоритетами, обслуживание не прерывается
даже при наличии запросов с более высоким
приоритетом. В программе обслуживания
данного запроса следует наложить маски
на все остальные сигналы прерывания или
просто отключить систему прерываний;
с абсолютными приоритетами, обслуживается
прерывание с наибольшим приоритетом.
В программе обслуживания прерываний
следует наложить маски на сигналы прерывания
с более низким приоритетом. Возможно
многоуровневое прерывание, то есть прерывание
программы обработки прерывания, число
уровней меняется и зависит от приоритета
запроса; по принципу стека (последним
пришел – первым обслужен), запросы с более
низким приоритетом могут прервать обработку
прерывания с более высоким приоритетом.
В программе обслуживания прерываний
не следует накладывать маски ни на один
сигнал прерывания и отключать систему
прерываний. Управление ходом выполнения
задач со стороны ОС заключается: в организации
реакций на прерывание; в организации
обмена информацией; в предоставлении
необходимых ресурсов; в динамике выполнения
задачи; в организации сервиса. Причины
прерываний определяет ОС (супервизор
прерываний) и выполняет действия, необходимые
при данном прерывании и в данной ситуации.
При появлении запроса на прерывание система
прерываний идентифицирует сигнал и, если
прерывание разрешено, управление передается
на соответствующую программу обработки
прерываний. Подпрограмма обработки прерываний
состоит из трех секций: отключение прерываний,
сохранение контекста прерванной программы,
установка режима работы системы прерываний;
собственно тело программы обработки
прерываний; восстановление контекста
прерванной ранее программы, установка
прежнего режима работы системы прерываний.
1-я и 3-я секции подпрограммы обработки
прерываний – служебные, сохраняют и восстанавливают
контекст задач. Поскольку эти действия
необходимо выполнять практически в каждой
подпрограмме обработки прерывания, во
многих ОС первые секции подпрограмм обработки
прерываний выделяются в специальный
системный модуль – супервизор прерываний.
Супервизор прерываний выполняет следующие
действия: сохраняет в дескрипторе текущей
задачи рабочие регистры процессора, определяющие
контекст прерванной задачи; определяет
программу, обслуживающую текущий запрос
на прерывание; устанавливает необходимый
режим обработки пребывания; передает
управление подпрограмме обработки прерывания.
После выполнения подпрограммы обработки
прерывания управление передается супервизору
в модуль управления диспетчеризацией
задач. Диспетчер задач производит: выбор
готовой к выполнению задачи (в соответствии
с дисциплиной обслуживания); восстановление
контекста задачи; установка прежнего
режима работы системы прерываний; передачу
управления выбранной задаче.
Из подпрограммы обработки прерывания
нет возврата непосредственно в прерванную
программу. Если бы контекст прерванной
задачи сохранялся в стеке, а не в дескрипторе
задачи, то не было бы возможности гибко
выбирать на обслуживание задачу, после
завершения подпрограммы обработки прерывания.
В конкретных процессорах и ОС могут быть
изменения и дополнения к рассмотренной
дисциплине обслуживания прерываний.
1.3.
Архитектура процессора
Перейдём
к самому процессору и его компоненты:
1.
Процессор, главное вычислительное
устройство, состоящее из миллионов
логических элементов - транзисторов.
2.
Сопроцессор - специальный блок
для операций с «плавающей
точкой» (или запятой). Применяется
для особо точных и сложных
расчетов, а также для работы с рядом
графических программ.
3.
Кэш-память.
Кэш-памяти
в процессоре имеется двух видов.
Самая
быстрая - кэш-память первого
уровня (32 Кбайт у процессоров
Intel и до 64 Кбайт - в последних моделях
AMD). Существует еще чуть менее быстрая,
но зато - более объемная кэш-память второго
уровня - и именно ее объемом различаются
различные модификации процессоров. Так,
в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью
- мощный Xeon (2 Мбайт). У Pentium размер кэша
второго уровня почти в 10 раз меньше -
256 Кбайт, ну a Celeron вынужден обходиться
всего 128 Кбайт! А значит, при работе с программами,
требовательными к объему кэш-памяти,
«домашний» процессор будет работать
чуть медленнее. Зато и стоимость его в
два-три раза ниже: кэш-память - самый
дорогой элемент в процессоре, и с увеличением
ее объема стоимость кристалла возрастает
в геометрической прогрессии!
Трудно
поверить, что все эти устройства
размещаются на кристалле площадью
не более 4-6 квадратных сантиметров! Только
под микроскопом мы можем разглядеть
крохотные элементы, из которых состоит
микропроцессор, и соединяющие их металлические
«дорожки» (для их изготовления сегодня
используется алюминий, однако уже через
год на смену ему должна прийти медь). Их
размер поражает воображение - десятые
доли микрона! Например, в 1999 году большая
часть процессоров производилась по 0,25-микронной
технологии, в 2000 году ей на смену пришла
0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается,
что в течение ближайших двух лет плотность
расположения элементов на кристалле
увеличится еще в 2 раза.
CISC-процессоры
Complex Instruction Set Computer - вычисления
со сложным набором команд. Процессорная
архитектура, основанная на усложнённом
наборе команд. Типичными представителями
CISC является семейство микропроцессоров
Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры
являются CISC только по внешней системе
команд). 2.5 RISC-процессоры Reduced Instruction Set
Computer - вычисления с сокращённым набором
команд. Архитектура процессоров, построенная
на основе сокращённого набора команд.
Характеризуется наличием команд фиксированной
длины, большого количества регистров,
операций типа регистр-регистр, а также
отсутствием косвенной адресации. Концепция
RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из
IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном
(David Patterson). Среди первых реализаций этой
архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC,
SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах
широко используются ARM-процессоры. 2.6
MISC-процессоры Minimum Instruction Set Computer - вычисления
с минимальным набором команд. Дальнейшее
развитие идей команды Чака Мура, который
полагает, что принцип простоты, изначальный
для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл
на задний план. В пылу борьбы за максимальное
быстродействие, RISC догнал и перегнал
многие CISC процессоры по сложности. Архитектура
MISC строится на стековой вычислительной
модели с ограниченным числом команд (примерно
20-30 команд). 2.7 Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем
недостатком, что она последовательная.
Какой бы огромный массив данных ни требовалось
обработать, каждый его байт должен будет
пройти через центральный процессор, даже
если над всеми байтами требуется провести
одну и ту же операцию. Этот эффект называется
узким горлышком фон Неймана. Для преодоления
этого недостатка предлагались и предлагаются
архитектуры процессоров, которые называются
параллельными. Параллельные процессоры
используются в суперкомпьютерах. Возможными
вариантами параллельной архитектуры
могут служить (по классификации Флинна):
SISD - один поток команд, один поток данных;
SIMD - один поток команд, много потоков
данных; MISD - много потоков команд, один
поток данных; MIMD - много потоков команд,
много потоков данных. 3. СОСТАВ ЦЕНТРАЛЬНОГО
ПРОЦЕССОРА Центральный процессор в общем
случае содержит в себе: арифметико-логическое
устройство; шины данных и шины адресов;
регистры; счетчики команд; кэш;
математический сопроцессор чисел с
плавающей точкой.
Глава
2. Обзор современных
процессоров ПК
2.1.
Процессоры семейства
Intel
Не
секрет что первые процессоры были
созданы фирмой Intel, и поэтому мы проведем
обзор процессоров именно этой фирмы.
Процессор
8086/88.
В
1979 г. фирма Intel первой выпустила 16-битный
микропроцессор 8086, возможности которого
были близки к возможностям процессоров
миникомпьютеров 70-х годов. Микропроцессор
8086 оказался "прародителем" целого
семейства, которое называют семейством
80x86 или х86.
Несколько
позже появился микропроцессор 8088,
архитектурно повторяющий микропроцессор
8086 и имеющий 16-битный внутренние регистры,
но его внешняя шина данных составляет
8 бит. Широкой популярности микропроцессора
способствовало его применение фирмой
IBM в персональных компьютерах PC и PC/XT.
Процессор
80186/88.
В
1981 г. появились микропроцессоры 80186/80188,
которые сохраняли базовую архитектуру
микропроцессоров 8086/8088, но содержали
на кристалле контроллер прямого доступа
к памяти, счетчик/таймер и контроллер
прерываний. Кроме того, была несколько
расширена система команд. Однако широкого
распространения эти микропроцессоры,
не получили.
Процессор
80286.
Следующим
крупным шагом в разработке новых
идей стал микропроцессор 80286, появившийся
в 1982 году. При разработке были учтены
достижения в архитектуре микрокомпьютеров
и больших компьютеров. Процессор
80286 может работать в двух режимах: в режиме
реального адреса он эмулирует микропроцессор
8086, а в защищенном режиме виртуального
адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет
программисту много новых возможностей
и средств. Среди них можно отметить расширенное
адресное пространство памяти 16 Мбайт,
появление дескрипторов сегментов и дескрипторных
таблиц, наличие защиты по четырем уровням
привилегий, поддержку организации виртуальной
памяти и мультизадачности. Процессор
80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях
PS/2.
Процессор
80386.
При
разработке 32-битного процессора 80386
потребовалось решить две основные
задачи - совместимость и производительность.
Первая из них была решена с помощью
эмуляции микропроцессора 8086 - режим
реального адреса (Real Adress Mode) или R-режим.
В
Р – режиме процессор 80386 может
выполнять 16-битные программы (код) процессора
80286 без каких-либо дополнительных модификаций.
Вместе с тем, в этом же режиме он
может выполнять свои "естественные"
32-битные программы, что обеспечивает
повышение производительности системы.
Именно в этом режиме реализуются все
новые возможности и средства процессора
80386, среди которых можно отметить масштабированную
индексную адресацию памяти, ортогональное
использование регистров общего назначения,
новые команды, средства отладки. Адресное
пространство памяти в этом режиме составляет
4 Гбайт.
Микропроцессор
80386 разделен внутри на 6 автономно и
параллельно работающих блоков с
соответствующей синхронизацией. Все
внутренние шины, соединяющие эти блоки,
имеют разрядность 32 бит. Конвейерная
организация функциональных блоков в
80386 допускает временное наложение выполнения
различных стадий команды и позволяет
одновременно выполнять несколько операций.
Кроме конвейерной обработки всех команд,
в 80386 выполнение ряда важных операций
осуществляется специальными аппаратными
узлами. Блок умножения/деления 80386 может
выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт
синхронизации, в зависимости от числа
значащих цифр; он может разделить 32-битные
операнды за 38 тактов (в случае чисел без
знаков) или за 43 такта (в случае чисел
со знаками). Регистр группового сдвига
80386 может за один такт сдвигать от 1 до
64 бит. Обращение к более медленной памяти
(или к устройствам ввода/вывода) может
производиться с использованием конвейерного
формирования адреса для увеличения времени
установки данных после адреса до 3 тактов
при сохранении двухтактных циклов в процессоре.
Вследствие внутреннего конвейерного
формирования адреса при исполнении команды,
80386, как правило, вычисляет адрес и определяет
следующий магистральный цикл во время
текущего магистрального цикла. Узел конвейерного
формирования адреса передает эту опережающую
информацию в подсистему памяти, позволяя,
тем самым, одному банку памяти дешифрировать
следующий магистральный цикл, в то время
как другой банк реагирует на текущий
магистральный цикл.
Процессор
80486.
В
1989 г. Intel представила первого представителя
семейства 80х86, содержащего более
миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов
в чипе. Этот чип во многом сходен с
80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами
386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов
объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой
оперативной памяти), вместе с аппаратурой
для выполнения операций с плавающей запятой
и управлением памяти на одной микросхеме,
тем не менее поддерживают программную
совместимость с предыдущими членами
семейства процессоров архитектуры 86.
Часто используемые операции выполняются
за один цикл, что сравнимо со скоростью
выполнения RISC-команд. Восьмикилобайтный
унифицированный кэш для кода и данных,
соединенный с шиной пакетного обмена
данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при
частоте 25/33 Мегагерц гарантируют высокую
производительность системы даже с недорогими
дисками (DRAM).
Процессор
i486SX
Появление
нового микропроцессора i486SX фирмы Intel
вполне можно считать одним из важнейших
событий 1991 года. Уже предварительные
испытания показали, что компьютеры на
базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают
быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных
на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор
i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит
на кристалле и кэш-память, а вот математический
сопроцессор у него заблокирован. Значительная
экономия (благодаря исключению затрат
на тестирование сопроцессора) позволила
фирме Intel существенно снизить цены на
новый микропроцессор. Надо сказать, что
если микропроцессор i486DX был ориентирован
на применение в сетевых серверах и рабочих
станциях, то i486SX послужил отправной точкой
для создания мощных настольных компьютеров.
Вообще говоря, в семействе микропроцессоров
i486 предусматривается несколько новых
возможностей для построения мультипроцессорных
систем: соответствующие команды поддерживают
механизм семафоров памяти, аппаратно
- реализованное выявление недостоверности
строки кэш-памяти обеспечивает согласованность
между несколькими модулями кэш-памяти
и т.д. Для микропроцессоров семейства
i486 допускается адресация физической
памяти размером 64 Тбайт
Процессор
Pentium
В
то время, когда Винод Дэм делал первые
наброски, начав в июне 1989 года разработку
Pentium процессора, он и не подозревал, что
именно этот продукт будет одним из главных
достижений фирмы Intel. Как только выполнялся
очередной этап проекта, сразу начинался
процесс всеобъемлющего тестирования.
Для тестирования была разработана специальная
технология, позволившая имитировать
функционирование Pentium процессора с использованием
программируемых устройств, объединенных
на 14 платах с помощью кабелей. Только
когда были обнаружены все ошибки, процессор
смог работать в реальной системе. В дополнение
ко всему, в процессе разработки и тестирования
Pentium процессора принимали активное участие
все основные разработчики персональных
компьютеров и программного обеспечения,
что немало способствовало общему успеху
проекта. В конце 1991 года, когда была завершен
макет процессора, инженеры смогли запустить
на нем программное обеспечение. Проектировщики
начали изучать под микроскопом разводку
и прохождение сигналов по подложке с
целью оптимизации топологии и повышения
эффективности работы. Проектирование
в основном было завершено в феврале 1992
года. Началось всеобъемлющее тестирование
опытной партии процессоров, в течение
которого испытаниям подвергались все
блоки и узлы. В апреле 1992 года было принято
решение, что пора начинать промышленное
освоение Pentium процессора. Объединяя более,
чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой
подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется
высокой производительностью с тактовой
частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная
архитектура использует усовершенствованные
способы проектирования, которые позволяют
выполнять более, чем одну команду за один
период тактовой частоты, в результате
чего Pentium в состоянии выполнять огромное
количество PC-совместимого программного
обеспечения быстрее, чем любой другой
микропроцессор.
Cуперскалярная
архитектура Pentium процессора представляет
собой совместимую только с
Intel двухконвейерную индустриальную
архитектуру, позволяющую процессору
достигать новых уровней производительности
посредством выполнения более, чем одной
команды за один период тактовой частоты.
Термин "суперскалярная" обозначает
микропроцессорную архитектуру, которая
содержит более одного вычислительного
блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры,
являются узлами, где происходят все основные
процессы обработки данных и команд.
Появление
суперскалярной архитектуры Pentium процессора
представляет собой естественное развитие
предыдущего семейства процессоров
с 32-битовой архитектурой фирмы Intel.
Например, процессор Intel486 способен выполнять
несколько своих команд за один период
тактовой частоты, однако предыдущие семейства
процессоров фирмы Intel требовали множество
циклов тактовой частоты для выполнения
одной команды.
Другое
важнейшее революционное усовершенствование,
реализованное в Pentium процессоре, это введение
раздельного кэширования. Кэширование
увеличивает производительность посредством
активизации места временного хранения
для часто используемого программного
кода и данных, получаемых из быстрой памяти,
заменяя по возможности обращение ко внешней
системной памяти для некоторых команд.
Процессор Intel486, например, содержит один
8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой
одновременно для кэширования программного
кода и данных.
Pentium
процессор позволяет выполнять математические
вычисления на более высоком уровне благодаря
использованию усовершенствованного
встроенного блока вычислений с плавающей
запятой, который включает восьмитактовый
конвейер и аппаратно реализованные основные
математические функции. Четырехтактовые
конвейерные команды вычислений с плавающей
запятой дополняют четырехтактовую целочисленную
конвейеризацию. Большая часть команд
вычислений с плавающей запятой могут
выполняться в одном целочисленном конвейере,
после чего подаются в конвейер вычислений
с плавающей запятой. Обычные функции
вычислений с плавающей запятой, такие
как сложение, умножение и деление, реализованы
аппаратно с целью ускорения вычислений.
и т.д.................
Основные функции и состав процессора.
На процессор возлагается выпол-нение операций, предусмотренных его системой команд.
При выполнении программы центральный процессор микропроцессорной си-стемы обеспечивает выполнение всех функций, предусмотренных программной. К ним относится:
● формирование адреса команд или данных , хранящихся оперативной памяти;
● выборка команд из памяти и их дешифрация ;
● прием данных из оперативной памяти , выполнение над ними арифметиче-ских, логических и других операций, определяемых кодом команды, и пере-дача обработанных данных во внешние устройства или память;
● формирование сигналов состояния , управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;
● временное хранение результатов выполненных операций , адресов, формиру-емых сигналов состояния и других данных;
● прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.
Для выполнения перечисленных функций процессор должен располагать не-обходимым набором аппаратных средств. Основными функциональными блоками процессора являются (рис. 2.2.1):
● блок арифметическо–логических операций , выполняющий обработку поступа-ющих данных. Перечень выполняемых операций зависит от типа микропро-цессора. В большинстве процессоров выполняются следующие операции: арифметическое сложение и вычитание; логические операции ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ; операции инкремента и декремента; логические и арифметические сдвиги вправо и влево. Что касается операций умножения и деле-ния, то в 8–разрядных процессорах они выполняются программным способом, в 16–разрядных процессорах для их реализации предусмотрены специальные команды. Блок арифметическо–логических операций строится на основе двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для вре-менного хранения операндов и регистров–сдвигателей, комбинационных схем для выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других функциональных узлов;
● блок обработки команд , предназначенный для приема и декодирования ко-манд, а также для формирования сигналов управления узлами обработки денных;
● блок формирования адресов , обеспечивающий адресацию к внешней памяти и внешним устройствам. Его основными узлами являются программный счет-чик, указатель стека, инкрементор–декрементор, адресный регистр;
● блок регистров , выполняющих функции сверхоперативной внутренней памя-ти, функции временного хранения операндов и др.;
● блок синхронизации и управления , координирующий работу всех узлов процессора;
● внутренняя шина , которая используется для связи между отдельными блоками и узлами процессора. В общем случае она включает в себя шины для пе-редачи данных, адреса и управляющих сигналов.
В качестве примеров рассмотрим структурно–функциональную организацию 8– и 16–разрядных процессоров.
Восьмиразрядный процессор. Для описания основных узлов 8–разрядного процессора воспользуемся рис. 2.2.2, на котором изображена структурная схема процессора 8080 (КР580ВМ80А).
Арифметическо–логическое устройство (АЛУ) позволяет выпол-нить следующие операции над 8–разрядными операндами:
● арифметическое сложение двух операндов с передачей переноса в старший разряд (и без него) и вычитание с передачей заема в младший разряд (и без него);
● логическое сложение, умножение, исключающее ИЛИ и сравнение;
● четыре вида циклических сдвигов;
● арифметические операции над десятичными числами.
При выполнении операций один из операндов поступает в АЛУ через аккуму-лятор А и дополнительный регистр 1, другой операнд - через дополнительный регистр 2. Циклические сдвиги выполняются только над содержимым аккумулято-ра А. В аккумулятор также помещаются результаты выполненных в АЛУ операций.
Блок десятичной коррекции. При суммировании десятичных чисел может потребоваться коррекция результата, для выполнения которой в микро-процессоре предусмотрен блок десятичной коррекции. При сложении каждый разряд десятичного числа (цифра) представляется четырехразрядным двоичным кодом (полубайтом, тетрадой), например, кодом 8421. Сложение полубайтов про-исходит по правилам двоичной арифметики. Если сумма больше 9, то возникает необходимость в проведении коррекции. Коррекция осуществляется дополни-тельным прибавлением двоичного числа 0110 (6) к полученному результату. Это обусловлено тем, что вес пятого разряда двоичного числа составляет 16 деся-тичных единиц, а вес старшего разряда десятичного числа - 10, т.е. разность равна 6. Если при сложении получен результат 10... 15, то прибавление числа 6 (0110) 2 приведет к появлению 1 в пятом разряде полубайта. Этот разряд «ухо-дит» в старший полубайт и забирает с собой «добавку» (6), оставляя правильный результат. В том случае, когда результат 16... 18, в пятом разряде появляется еди-ница, значение которой (до переноса) соответствует 16 в десятичном исчисле-нии. После переноса единицы пятого разряда в старший полубайт ее значение становится равным 10. Таким образом, перенос сопровождается уменьшением результата на 6 десятичных единиц, что также требует проведения его коррекции. Принцип коррекции иллюстрируется на двух приведенных примерах.
Неправильный результат обнаруживается по наличию единиц в двух старших разрядах (3–й и 2–й), в третьем и первом или по наличию переноса в следующую тетраду.
Регистр признаков . АЛУ непосредственно связано с 5–разрядным реги-стром признаков (флагов), в котором фиксируется результат выполнения некото-рых арифметических и логических операций. Регистр содержит пять триггеров:
● триггер переноса , вырабатывающий сигнал С = 1, если при выполнении опе-раций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда;
● триггер дополнительного переноса , вырабатывающий сигнал V = 1, если при выполнении операции с двоично–десятичными кодами появляется единица из третьего разряда (старшего разряда младшего полубайта);
● триггер нуля , вырабатывающий сигнал Z = 1, если результат операции равен нулю;
● триггер знака , вырабатывающий сигнал
S = 1, если значение старшего раз-ряда операнда (в дополнительном коде) равно единице, т. е. результат опера-ции - отрицательное число;
● триггер четности, вырабатывающий сигнал Р = 1, если результат операции содержит четное число единиц.
Указанные триггеры обеспечивают выполнение в программе условных пере-ходов. Например, если результат выполнения предыдущей операции равен нулю, то триггер нуля устанавливается в единичное состояние (
Z = 1), и условие пере-хода в другую часть программы окажется выполненным. Распределение разрядов регистра признаков условий в байте при передаче по шине данных следующее:
Регистры . Доступ к регистрам, в том числе к счетчику команд и указателю стека, осуществляется через мультиплексоры с помощью селектора регистров.
Регистры общего назначения (РОН) играют роль аккумуляторов, когда в них содержатся обрабатываемые данные, либо указателей, когда в них хранятся ад-реса операндов. Регистры В, С,
L могут быть использованы в программе как отдельные 8–разрядные регистры или как 16–разрядные регистровые пары ВС,
HL. Название пары В,
D, Н всегда соответствует названию первого ре-гистра пары, в котором хранится старший байт 16–разрядного числа. 16–разряд-ный регистр Н служит адресным регистром: при косвенной регистровой адреса-ции он хранит исполнительный адрес, поступающий из основной памяти.
Регистры
Z не являются программно доступными и используются для вы-полнения команд внутри микропроцессора. В них хранятся второй и третий байт команды.
Обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами осуществляется через двунаправленный буферный регистр, а адресация к памя-ти и внешним устройствам - через 16–разрядный регистр адреса. Особенность буферного и адресного регистров состоит в том, что кроме состояния логическо-го нуля и единицы в них предусмотрено третье состояние, в котором выходное регистров бесконечно велико. В этом состоянии микропроцессора внешними устройствами осуществляется прямой доступ к памяти.
Указатель команд , или программный счетчик (
PC). Счетчик указывает адрес, где находится в памяти очередной байт команды (для команд используются 3–байтовые форматы). Байты команд обычно выбираются в порядке нарастания их адресов. Поэтому после выборки каждого очередного байта схема инкремента–декремента увеличивает содержимое программного счетчика на единицу. Перед началом выборки какой–нибудь команды в счетчик заносится адрес ее первого байта. В процессе выбора 3–байтной команды содер-жимое счетчика увеличивается трижды. Обычный порядок следования адресов может быть изменен. Для этого в счетчике предусмотрена возможность записи начального адреса той части программы, именуемой подпрограммой, которая должна выполниться.
Указатель стека (
SP) представляет собой 16–разрядный регистр, предназначенный для быстрой адресации особого вида памяти, и именуемой стеком. Стековая память используется при обслуживании прерываний и характеризуется тем, что из нее первыми выбираются данные, которые поступили последними.
В стек заносится адрес возврата к прерванной программе на время обработки микропроцессором подпрограммы, содержимое аккумулятора, регистра при-знаков.
Блок управления. Первый байт исполняемой команды записывается в регистр команд. В дешифраторе команд формируются сигналы, под действием которых в устройстве управления запускается микропрограмма для выполнения требуемой операции. Микропрограммы операций, определяемых набором ко-манд микропроцессора, «зашиты» в управляющую память. На входы устройства управления поступают:
● две неперекрывающиеся последовательности тактовых импульсов (Ф1, Ф2) с периодом Т;
● сигнал готовности (
READY) внешних устройств и памяти к обмену информаци-ей с микропроцессором;
● сигнал запроса от внешних устройств на прерывание (
INT) выполнения ос-новной программы и переход на выполнение подпрограмм обслуживания прерывания;
● сигнал запроса от внешних устройств на захват шин (
HOLD), как правило, для организации обмена информацией по каналу прямого доступа к памяти;
● сигнал сброса (
RESET), по которому происходит начальная установка микро-процессора.
С выхода устройства управления снимаются сигналы для управления внутрен-ними узлами (на рис. 2.2.3 эти связи не показаны) процессора и внешними уст-ройствами.
Для управления внешними устройствами вырабатываются:
● сигнал синхронизации (
SYNC), указывающий на начало каждого машинного цикла - промежутка времени, необходимого для одного обращения процес-сора к внешним устройствам или памяти;
● сигнал приема (
DBIN), указывающий на готовность процессора к приему данных;
● сигнал ожидания (
WAIT), указывающий на то, что процессор находится в со-стоянии ожидания;
● сигнал подтверждения захвата (
HLDA), подтверждающий, что шины находятся в высокоомном состоянии, и внешние устройства могут обращаться к памяти напрямую, минуя процессор;
● сигнал разрешения прерывания
(INTE), свидетельствующий о том, что триг-гер разрешения прерывания в блоке управления находится в состоянии логи-ческой единицы, при котором возможен прием сигналов запроса;
● сигнал ¯Выдача
0), указывающий на то, что процессор выдал информа-цию на шину данных для ее записи в память или передачи во внешние уст-ройства.
Интерфейс микропроцессора . Обмен информацией между узлами процессора осуществляется по 8–разрядной внутренней шине данных, а с внеш-ней 8–разрядной шиной данных ШД - через буферный регистр. Для адресации к памяти и внешним устройствам используются 16–разрядная шина адреса ША и регистр адреса.
Шестнадцатиразрядный микропроцессор.
Состав процессора. Струк-турная схема 16–разрядного процессора (8086) изображена на рис. 2.2.3.
Микропроцессор содержит:
● арифметическо–логическое устройство (АЛУ) со стандартным набором опе-раций;
● регистр флагов или регистр слова состояния , отражающий состояние про-цессора после выполнения каждой команды. Например, флаг
Z фиксирует ну-левой результат операции АЛУ;
● восемь 16–разрядных регистров общего назначения (РОН) , предназначенных для хранения адресов/данных: АХ (АН,
DL), СХ (СН,
CL), ВХ (ВН,
BL), BP, SP DI, SI;
● блок формирования адреса и управления шиной , обеспечивающий формиро-вание адреса путем суммирования содержимого одного из индексных реги-стров
(DI, SI) с адресом из памяти, временное мультиплексирование шины данных/адреса (ШД/А), автоматическое заполнение буфера очереди команд следующими командами. Блок формирования адреса и управления шиной со-держит буферный регистр, сумматор и логику управления шиной;
● регистр команд , предназначенный для приема команды из внешней памяти;
● устройство управления , обеспечивающее синхронизацию процессора, управ-ление машинными циклами и захватом шины, обслуживание запросов на пре-рывание от внешних устройств;
● буфер очереди команд , позволяющий хранить до шести байт принимаемой команды;
● четыре 16–разрядных сегментных регистра
(CS, SS, DS, ES)
И программный счетчик
(Instruction Pointer -
IP), принимающие участие в формировании адреса.
Назначение управляющих сигналов . Управляющие сигналы посту-пают по шине управления ШУ (рис. 2.2.3) микропроцессора (МП), который рабо-тает в двух режимах: минимальной и максимальной конфигурации. Сигналы, ис-пользуемые в обоих режимах:
Тактовые импульсы, предназначенные для синхронизации МП
Сброс МП в начальное состояние
Сигнал готовности ВУ, опрашиваемый МП в третьем такте каждого машинного цикла
Сигнал немаскируемых запросов
Сигнал маскируемых векторных запросов. Маской служит флаг разрешения прерывания
S6 А16...А19 - старшие разряды адресов при обращениях к памяти.
S3 - код сег-ментных регистров (00 -
CS, ВВ или прерывание; 11 -
S5 - сигнал для индицирования флага прерывания
IF; обновляется в начале каж-дого такта.
S7 ВНЕ# = 0 подается на старший Н–банк при обращениях к памяти.
S7- сигнал о состоянии процессора, где # - знак инверсии
RD# Чтение памяти и порта (в режиме минимальной конфигурации)
TEST# Вывод микросхемы, опрашиваемый командой
TEST = 1 - режим опроса через 5 тактов; при
0 - режим ожидания
MX# Переключение режимов минимальной/максимальной конфигурации
В режиме минимальной конфигурации (
MX = 1) МП вырабатывает следу-ющие управляющие сигналы:
Строб адреса при записи его во внешний буферный регистр
IO# Выбор обмена память/порт ВВ
DT/R# Выбор направления обмена или режима записи/чтения
Запись (по фронту) в память или порт ВВ
DEN# Разрешение передачи данных через шину данных
HLDA Сигналы запроса на захват шины и подтверждения захвата при прямом доступе к памяти
Сигналы для режима максимальной конфигурации
S0# Код состояния или типа цикла МП: 000 - подтверждение прерывания; 001 - чтение порта ВВ; 010 - запись в порт ВВ; 011 - останов; 100 - выборка команды; 101 - чтение памяти; 111 - пассивное состояние
QS0 Код состояния очереди: 00 - пассивное состояние (нет операции); 01 - очистка очереди; 10 - выборка первого байта команды; 11 - выборка следующего байта команды
Сигналы запроса на захват шины, разрешения захвата при прямом доступе к памя-ти и освобождения шины
При обозначении сигналов использован символ #, означающий инверсию,
т.е. А# = А.
Рассмотрим несколько подробнее организацию очереди команд и принцип формирования адресов с помощью сегментных регистров.
Организация очереди команд. при выполнении программы значительное время расходуется на выборку команд из памяти. Поэтому блок форми-рования адреса и управления шиной старается поддерживать заполненным буфер очереди команд, считывая из памяти последующие команды во время выполнения текущей команды, когда ШД/А остается свободной. После завершения теку-щей команды следующая команда считывается из буфера. Так как не требуется обращения к памяти, повышается быстродействие процессора. При выполнения команд условных и безусловных переходов, связанных с передачей управления другой ячейке памяти, происходит очистка буфера, после чего он начинает за-полняться вновь.
Принцип формирования адресов. Поставим задачу сформировать 20–разрядный адрес (
addr20), обеспечивающий доступ к 2 20 = 1М байт памяти, с помощью двух 16–разрядных регистров. Каждый из 16–разрядных регистров обеспечивает доступ к 2 16 ячейкам или к 64К байт памяти. Поэтому выделим в 1М байт памяти сегмент емкостью 64К байт с условием, чтобы младший разряд его шестнадцатеричного кода начального адреса был равен нулю, т. е. код адреса имел вид ХХХХ0
h, где X = 0 или 1,
h - обозначение 16–ричного кода (
hexadecimal). Один из регистров выберем в качестве селектора сегмента
(sel), другой - в ка-честве регистра смещения
(offset). Представим адрес в виде суммы
Из выражения следует, что путем изменения содержимого селектора (ХХХХ
h) и регистра смещения (
YYYYh) от 0000
FFFFh, можно получить 16 4 х16 4 комбина-ций адресов. Однако среди них имеются одинаковые коды. Общее число ячеек памяти с различными адресами составляет 2 20 – 2 4 + 2 16 .
На рис. 2.2.4, а показано, как можно обеспечить доступ к памяти с числом ячеек 2 20 (или емкостью 1
M байт при использовании однобайтных ячеек).
В качестве селектора, который можно рассматривать как указатель сегмента, в процессорах используются сегментные регистры (регистры кода
SS, данных
DS и дополнительный регистр
ES), а в качестве регистров смещения - регистры общего назначения (программный счетчик
IP, указатель стека
SP, указа-тель базы
BP и регистры автоинкрементной
SI и автодекрементной
DI адреса-ции). Возможны следующие пары регистров:
DI. На рис. 2.2.4, б показана в качестве примера реализация принципа адре-сации с использованием пары
О сопроцессорах. Для расширения функциональных возможностей и повы-шения производительности центрального процессора микропроцессорная систе-ма может содержать дополнительные процессоры, или сопроцессоры. Например, в первых поколениях компьютеров для расширения функций центрального про-цессора 80286 использовался сопроцессор 80287.
Сопроцессор 80287 предназначен для выполнения операций над числами с плавающей точкой (запятой), которые потребовали бы от основного процессора больших затрат машинного времени. Поэтому такой сопроцессор называют чис-ловым процессором, процессором для обработки числовых данных, процессором
Processor) или математическим сопроцессором. Сопроцессор выполняет такие сложные операции, как деление длинных операндов, вычисле-ние тригонометрических функций, извлечение квадратного корня и нахождение логарифма в 10–100 раз быстрее основного процессора. Точность результатов расчетов значительно выше точности, обеспечиваемой вычислительными моду-лями, входящими в состав самих процессоров. Выигрыш реализуется только при выполнении программ, написанных с учетом на совместное использование со-процессора с основным процессором. При совместной работе операции сложе-ния, вычитания и умножения выполняются основным процессором и не переда-ются сопроцессору.
Сопроцессор имеет собственную систему команд (инструкций), которая от-личается от системы команд процессора. Выполняемая программа должна сама определять наличие сопроцессора и после этого использовать написанные для него инструкции. Большинство программ, рассчитанных на использование сопро-цессоров, обнаруживают его присутствие и используют предоставляемые возможности.
Наиболее эффективно сопроцессоры используются в программах со сложны-ми математическими расчетами: в электронных таблицах, базах данных, стати-стических программах и системах автоматизированного проектирования. При ра-боте с текстовыми редакторами сопроцессор не используется.
В процессорах 80486 и более поздних моделях используются встроенные со-процессоры. Они выполняются в виде устройства с плавающей точкой (
FPU), входящего в состав процессора, и располагаются на том же кристалле. Инструкции над числами с плавающей точкой входят в систему ко-манд процессора.
Внутренние ресурсы процессора. К ним относятся:
● типы данных , которые процессор способен распознавать и обрабатывать, т. е. выполнять над ними различные действия и операции;
● программно–доступные регистры , предназначенные для хранения данных и адресов в процессе выполнения программы;
● режимы адресации (
Mode), или реализуемые процессором способы адресации. Под способом адресации будем понимать меток определения или вычисления так называемого эффективного адреса (
Address - ЕА), обеспечивающего доступ к операндам или передачу управления. Внутренние ресурсы встроены в процессор и отражены в его системе команд и поэтому используются не только при программировании прикладных задач, но и при непосредственном исполнении программы.
Архитектура процессоров предоставляет наиболее часто требуемые типы дан-ных, регистры и режимы адресации. Каждый процессор поддерживает несколько типов данных, режимов адресации и содержит определенный набор внутренних регистров.
Разнообразие, доступность и умелое использование ресурсов способствует повышению производительности системы. Недостающие или отсутствующие ре-сурсы допускают программное моделирование, но снижают производительность.
Для разработки системной программы используются жестко связанные с ар-хитектурой процессора системные ресурсы, к которым относят адреса памяти и ввода/вывода, запросы прерываний и каналы прямого доступа к памяти. Они обеспечивают управление виртуальной памятью, мультизадачностью и сред-ствами защиты. Системные ресурсы образуют основу возможностей защищенного режима.