Микропроцессоры

Процессором называется функциональный блок ЭВМ, предназначенный для обработки цифровой информации на основе принципа программного управления.

Современная электронная технология позволяет выполнить этот блок в виде одной или нескольких больших интегральных схем

(БИС). В этом случае он называется микропроцессором (МП).

Процессоры Intel. В IBM-совместимых ПК применяются про-цессоры (CPU - Central Processor Unit) совместимые с семейством 80´86 фирмы Intel. В оригинальной IBM PC использовался базовый процессор 8088/8086 с 16-разрядными регистрами. Все старшие модели процессоров, в том числе 32-разрядные: 386, 486, Pentium, с 64-разрядным расширением: Pentium-MMX, и 64-разрядные: Pentium II и старше, включают в себя подмножество команд и архи-тектуру нижестоящих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным программным обеспечением ПО.

Не смотря, на то, что сегодня ПК с процессорами 286, 386 и 486 – архаизм, целесообразно отдельно остановиться на родоначальни-нике семейства процессоров фирмы Intel - 8088/8086, по крайней мере, по двум причинам:

· с него началось PC-строение;

· из знания его характерных свойств, происходит понимание ряда особенностей процессоров пятого и шестого поколений.

16-разрядные процессоры. Процессоры i8088/8086.

История IBM PC началась с использования процессора 8088, выпущенного фирмой Intel в 1979 году. Он относится к первому поколению 16-битных процессоров и является модификацией выпу-щенного в 1978 году процессора 8086. Оба эти процессора выпол-няют 8/16-битные логические и арифметические операции, включая умножение и деление, операции со строками и операции ввода/вывода. От родоначальника - процессора 8086 - пошло общее обозначение семейства: х86.

Процессоры имеют 20-разрядную шину адреса, которая позво-ляет адресовать до 1 Мбайт памяти. Шина данных у 8086 16-разрядная, у 8088 разрядность внешней шины данных сокращена до 8 бит. Это сокращение, сделанное с целью удешевления систе-мы в целом, оборачивается некоторым снижением производитель-ности - 8086 за счет большей разрядности шины работает примерно на 20-60% быстрее, чем 8088 с той же тактовой частотой. Функцио-нальные различия этих процессоров, обусловленные разной раз-рядностью шины, проявляются только в способе подключения 8- и 16-разрядных внешних устройств. С программной точки зрения эти процессоры идентичны, их система команд и набор регистров включены во все процессоры PC- совместимых компьютеров.

Процессоры допускают разделяемое использование шины совместно с другими процессорами или контроллерами. Также пре-дусмотрено использование математического сопроцессора 8087, существенно повышающего производительность вычислений.

В процессорах применена конвейерная архитектура. Кон-вейер повышает производительность процессора за счет сокраще-ния времени простоя его операционных узлов. Процессор имеет 14 регистров разрядностью 16 бит. Тактовая частота процессора 8088 в первых PC была 4,77 МГц, впоследствии появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц.

Основными функциональными узлами МП является арифметическо – логическое устройство (АЛУ), дешифратор команд (ДШК),устройство управления (УУ), регистры, буфера адресов и данных, аккумулятор. Функциональные узлы соединены между собой внутренней магистралью данных (МД) и магистралью управления (МУ). Поясним функциональное назначение отдельных узлов микропроцессора:

Арифметическо – логическое устройство МП выполняет обработку данных. Типичными операциями, выполняемы­ми АЛУ, являются - сложение, вычитание, И, ИЛИ, инвер­сия, сдвиг, прира-щение. При этом АЛУ оперирует двумя или одним словом данных, которые поступают из буфер­ного регистра (БФР) ибуферного регистра аккумулятора (БФА). Регистры БФР и БФА программно недоступны для программиста. Выходная информация из АЛУ может поступать в аккумулятор (А) или в магистраль данных.

Регистры БФР, БФА и А выполняют функции временного хранения информации. Основой для построения АЛУ слу­жат схемы на логических элементах.

Регистр признака (РП) предназначен для хра­нения результа-тов некоторых проверок, производимых в процессе вычислений. Наличие РП позволяет осуществлять коррекцию ре­зультата вычис-лений или изменять порядок выполнения команд. Появление еди-ницы в одном из пяти его разрядов при выполнении вычислений является признаком:

· признак С - появления единицы переноса из старшего разряда;

· признак дополнительного переноса — АС - появления едини-цы переноса из третьего разряда числа;

· признак S - появления отрицательного числа;

· признак Z - появления нулевого результата;

· признак четности - появления четного числа единиц в результате выполнения команды.

Блок регистров МП включает два буферных регистра W, Z, шесть регистров общего назначения (РОН) В, С, D, Е, Н, L, указатель стека (УС), программный счетчик (ПС), регистр адреса (РА). Буферные регистры W, Z служат для выполнения команд внутри МП, они недоступны для программиста. Регистры общегоназначения (РОН) В, С, D_t Е, Н, L исполь­зуются программистом по его усмотрению как запоминаю­щие ячейки адреса, счетчики приращений и т. д. Эти регистры могут использоваться попарно как 16-разрядные регистры.

Программный счетчик (ПС) обеспечивает контроль последовательности выполнения команд про­граммы. Содержание PC представляет собой адрес той команды, которая должна выполняться. Этот адрес затем передается через регистр адреса РА и буфер адреса БА по магистралям Л₀ — Л_!5 в запоминающее устройство. Разрядность (16 разрядов) ПС и РА позволяет обеспечить адресацию к любой из 65 536 ячеек памяти.

Указатель стека (УС) представляет собой счет­чик, предназначенный для хранения адресов ячеек стека. Стеком называют ЗУ с последовательным доступом. Стек можно представить в виде вертикально расположен­ного массива ячеек ЗУ (рис. 7.27). Доступ осуществляет­ся всегда к верхней ячейке — вершине стека. При записи информации в вершину стека слово, занимающее ее, и все нижележащие слова сдвигаются вниз на одну ячейку.

Рисунок 7.27. Структура стека Рисунок 7.28. Логические и

запоминающие схемы

При считывании информации имеет место обратное перемещение. Стек выполняется на сдвигающих регистрах, работающих «в унисон», или для этой цели используется часть оперативной памяти с произвольным доступом. Стек широко используется для хранения адресов воз­врата из подпрограмм, особенно при многократном обра­щении к подпрограммам.

Регистр команд (РК) и дешифратор (ДШК) предназначены для получения и дешифрации кода команд. Дешифратор совместно с устройством управления форми­рует управляющие сигналы для всех внутренних блоков МП и выходные сигналы управления.

Устройство управления (УУ) обеспечивает требуемую пос-ледовательность функционирования всех звеньев МП. Оно форми-рует распределенную во времени и пространстве последователь-ность управляющих сигна­лов, обеспечивающих выполнение команд.

По способу формирования последовательности управ­ляющих сигналов УУ подразделяются на устройства управления с «жесткой» логикой и микропрограммные. Основой для построения УУ с «жесткой» логикой служат логические и запоминающие схемы, счетчики, регистры, дешифраторы (рис.7.28). Управляющие сигна­лы на выходе УУ формируются на основании анализа кода операции (КОП) и признаков результатов в АЛУ. Выполнение каждой команды производится в строго определенной последовательности. Эта последователь­ность синхронизируется во времени сигналами такто-

вого генератора (рис. 7.29). Период синхросигналов назы­вается машинным тактом . Длительность такта может быть от долей до единиц микросекунд. Время, необходимое для извлечения одного байта информации из памяти или выполнения команды длиной в одно машинное слово, называется машинным циклом. Машинный цикл может состоять из 3—5 машинных тактов. Так как команды могут быть различной длины, то время выполнения команды состоит из 1—5 машин­ных циклов. Время выполнения каждой команды можно разбить на цикл выборки и цикл выполнения (рис. 7.29).

Рисунок 7.29. Машинный такт

Архитектура современных МП не ограничивается рассмотренной схемой. В отличие от рассмотренной схемы некоторые МП имеют сверхбыстро­действующую внутреннюю оперативнуюпамять, боль-шее количество РОН и другие элементы.

С точки зрения быстродействия лучшими показателями обладают МП, выполненные по биполярной технологии. Однако биполярная технология не позволяет получить БИС из-за большой рассеивае-мой мощности и низкой плотности компонентов на одном кристал-ле. ПоэтомуМП, выполненные по биполярной технологии, конструк-тивно реализуются в виде отдельных БИС.

Рисунок 7.30. Структурная схема секционного МП

Структурная схема типичного секционного МП приве­дена на рисунке 7.30. Микропроцессор состоит из двух функциональных модулей: микропрограммного устройства управления (МПУУ) и операционного устройства (ОУ), построенного из отдельных секций (БИС).

Микропрограммное устройство работает следующим образом:

код операции с регистра адреса команд поступает на вход контрол-лера последовательности микрокоманд (KПМK), в результате на выходе регистра адреса микрокоманд (РАМК) контроллер форми-рует адрес первой микрокоман­ды выполняемой микропрограммы. Эта микрокоманда счи­тывается из памяти микрокоманд (ПМК) и передается в регистр микрокоманд (РМК). Микрокоманда содержит три основных поля:

· поле кода микрооперации (КМО);

· поле, в котором закодированы признаки (КПР),
поступающие из АЛУ в КПМК;

· поле, в котором содержится код адреса для формирова-
ния адреса следующей микрокоманды (АСМК).

После выполнения считанной микрокоманды микро­командный цикл повторяется. Достоинство МПУУ в том, что оно допускает замену микропрограммы, а следовательно, и системы микро­команд. Опера-

ционная часть секционного МП предназначена для выполнения всех арифметических и логических опера­ций. Каждая секция операционного устройства содержит АЛУ, блок РОН, аккумулятор А, РА, БФА, БФД, дешиф­ратор микроопераций (ДШМО). Количество секций опре­деляет разрядность микропроцессора. Секции могут быть 2, 4 или 8-бит­ными.

Память для процессоров 8088/8086 представляется в виде

линейной последовательности байт. Логически память разбивается на сегменты размером по 64 Кбайт.

Рис.2.1

Сегментация памяти являются характерной чертой процессоров Intel.

Эволюция процессоров.

32-разрядные процессоры. История 32-разрядных процессоров Intel началась с процессора i386, затем были 486, Pentium, Pentium Pro. Они вобрали в себя все свойства своих 16-разрядных предшественников и обеспечивали полную совмес-тимость со всем ПО.Это процессор 386/387,выпущенный в 1985 году; процессор Intel 386™ SX с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса, выпущенный в 1986 году; полно-разрядный вариант получил официальное название Intel 386^ТМDX. Процессоры Intel386™ SX и Intel386™ DX отличаются только внешней шиной данных и адреса, их программные модели идентичны. В 1990 году появился процессор Intel386™SL со средствами управления энергопотреблением, разработанный специально для портативных компьютеров. Процессоры 486 Intel 486™ представляют второе поколение 32-разрядных процессоров, обладают всеми свойствами процессора 386 и обеспечивают полную обратную совместимость с прежними представителями семейства 80х86.

Процессоры класса Pentium фирмы Intel представляют пятое поколение процессоров семейства 80х86. По базовой регистровой архитектуре и системе команд они совместимы с вышеописанными 32-битными процессорами, но имеют 64-битную шину данных, благодаря чему их иногда ошибочно называют 64-разрядными.

Процессоры Pentium первого поколения (Р5) с тактовой частотой 60 и 66 МГц вмели напряжение питания 5В, что приводило к большому тепловыделению (на частоте 66 МГц - 16 Вт).

Процессоры Pentium второго поколения (Р54) имеют напряже-ние питания 3,3В и ниже, что существенно снижает рассеиваемую мощность. Более совершенные модели второго поколения исполь-зуют технологию снижения напряжения питания VRT (Voltage Reduction Technology).

Процессоры Pentium MMX (P55C ) - новое поколение процессоров, основанное на ММХ-технологии, которая ориентирована на мультимедийное, 2D- и ЗD-графическое и коммуникационное применение. Процессоры Pentium для мобильных применений (блокнотных ПК) имеют пониженное энергопотребление, обеспеченное снижением напряжения питания ядра процессора. Они отличаются более высокой допустимой температурой, что позволяет их использовать в довольно тесных корпусах с плохими условиями вентиляции.

Процессоры Pentium Pro и старше. От процессора Pentium Pro принято отсчитывать начало шестого поколения. Самый млад-ший Pentium Pro работает на частоте 150 МГц при напряжении пита-ния 3,1В и имеет вторичный кэш 256 Кбайт, процессоры с частотой 166 и 200 МГц работают с напряжением питания 3,3В и могут иметь вторичный кэш 256 или 512 Кбайт.

Процессор Pentium II, продажа которого началась в мае 1997

года, на сегодняшний день остается достаточно высокопроизводи-тельным процессором семейства 80х86. Внутренняя тактовая частота составляет 233, 266, 300, 333 МГц и выше.

Дата добавления: 2015-05-06