Структура базового микропроцессора

Центральный процессор ЭВМ

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой и исполнением.

Наиболее существенными, классификационными различиями между ними чаще всего выступают:

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

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

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

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

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

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

Наибольшее распространение среди 16-битовых микропроцессоров получили i8086, i8088, среди 32-битовых - i80386, i80486, которые совместимы по командам и форматам данных снизу вверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях IBM PC.

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

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

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

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

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

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

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

· DX - длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с МП предыдущей модели.

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

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

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

Ведущие фирмы-производители ЭВМ с целью совершенствования выпускаемой ими продукции активно ведут научные исследования, о чем свидетельствуют данные, приведенные в табл. 5.1. За 1997 г. фирмой IBM получены:

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

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

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

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

Таблица 5.1

Дата добавления: 2014-01-14