СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 16-ТИ И 32-Х РАЗРЯДНЫХ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ.
Микропроцессор.
Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. МП 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 МП фирмы INTEL, а также совместимые с ними МП других фирм.
Каждый МП имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации (инф.) МП.
В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных. УУ реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы МП и связи его с другой аппаратурой через внешние шины МП.
Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на МП с 16- и 32-разрядной архитектурой.
МП с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при котором одновременно с выполнением текущей задачи (команды) производятся дополнительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно несколько последовательных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 64 Кбайта памяти. В 16-разрядных МП, как правило,
используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти.
Для выработки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина данных и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощью.
Одним из важных параметров МП является быстродействие, определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4--33 МГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10-20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд , их гибкостью, развитой системой прерываний.
Электронная память. Содержит операнды и программу, которую выполняет МП. Обычно имеются слова, соответствующие разрядности шины данных МП, которые адресуются адресным пространствам МП. Используются два типа эл. памяти: постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).
В ПЗУ хранится инф., которую ЭВМ может использовать сразу после выключения питания. Она включает программы инициализации программноуправляемых периферийных микросхем, программы ядра ОС и в некоторых приложениях интерпритатор какого-либо диалогового языка программирования или наиболее часто используемые прикладные программы.
Для реализации ПЗУ часто применяют микросхемы с прожигаемыми перемычками К556РТ5 (512 байт), К556РТ7 (2 Кбайта), К573РФ4 (8 Кбайт). В современных ЭВМ емкость ПЗУ достигает сотен Кбайт.
ПЗУ является энергозависимой памятью: после выключения питания инф. в нем сохраняется. Инф. в ОЗУ разрушается при выключении питания. В ОЗУ хранятся оперативные данные и программ, используемые МП. Поэтому микросхемы ОЗУ по быстродействию должны быть согласованы с МП, а емкость ОЗУ (вместе с ПЗУ) должна приближаться к приделу, определяемому адресным пространством МП.
Бывают ОЗУ статистические и динамические. Стат. ОЗУ легко сопрягаются с шинами МП, но имеют меньшую емкость по сравнению с динамичес кими. В качестве стат. ОЗУ часто используются микросхемы серии К537 емкостью до 64 Кбайт.
Для сопряжения динам. ОЗУ с МП требуется специальный контроллер, но они обладают большей емкостью по сравнению со статическими. Например, микросхемы серии К565 имеют емкость до 256 Кбайт.
Схемы ввода-вывода. Взаимодействие с оператором через клавиатуру,дисплей и печатающие устройства, запись исполняемых программ из ВЗУ в ОЗУ осуществляют через порты (многоразрядные шины) ввода-вывода. Для управления ВУ разработан ряд микросхем, которые выполняют функции контроллеров ПУ: клавиатуры, дисплея, НГМД и др.
Связь контроллерами ПУ обычно осуществляется через порты ввода-вывода под непосредственным управлением МП. Однако в некоторых ЭВМ используется специальный контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), который осуществляет непосредственный обмен инф. Между ОЗУ и ПУ без учета МП. Связь ЭВМ с ПУ производится через стандартизованные интерфейсы ПУ.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МП.
МП отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели INTEL-8088, 80286, 80386sx, 80386, 80486 и PENTIUM, они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Одинаковые модели МП могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена МП.
ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарных операций (тактов) МП выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в Мгц. Следует заметить, что разные модели МП выполняют одни и теже 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, МП INTEL-80386 работает раза в 2 быстрее INTEL-80286 с такой же тактовой частотой.
МОДЕЛИ МП.
Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT используют МП INTEL-8088. В начале 80-х годов эти МП выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, сейчас они выпускаются с тактовой частотой 8 или 10 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 раза быстрее). Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются TURBO-XT. Модель IBM PC XT использует более мощный МП INTEL-80286, и ее производительность в 4-5 раз, больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на Мп с тактовой частотой 6 МГц, сейчас большинство выпускаемых компьютеров этого типа имеет тактовую частоту от 16 до 25 МГц, т.е. они работают в 2-3 раза быстрее. МП INTEL-80286 имеет несколько больше возможностей по сравнению с INTEL-8088, он эти дополнительные возможности используются очень редко, так что большинство программ, работающих на AT, будет работать и на XT.
В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном МП INTEL-80386. Этот МП (называемый также 80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Диапозон тактовой частоты 80386DX- от 25 до 40 МГц. Кроме того, 80386 имеет значительно больше возможностей по сравнению с INTEL-8088,в частности содержит мощные средства для управления памятью и команды для 32-разрядных операций (в отличие от 16-разрядных 80286 и 8088).Поэтому многие производители программного обеспечения разрабатывают программы специально для INTEL-80386SX. Фирмой INTEL разработан также МП INTEL-80386SX, он ненамного дороже INTEL-80286SX, но обладает теми же возможностями, что и INTEL-80386, только при более низком быстродействии (приблизительно в 1,5-2 раза).
Получивший в последнее время широкое распространение МП INTEL-80486 (или 80486DX) мало отличается от INTEL-80386,но его производительность в 2-3 раза выше. Среди его особенностей следует отметить встроенную кеш-память и встроенный математический сопроцессор. Фирмой INTEL также разработаны более дешевый, но менее производительный вариант - 80486SX и более дорогой и более быстрый вариант - 80486DX. Тактовая частота 80486 обычно находится в диапазоне 33-66 МГц.
В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен новый МП PENTIUM (ранее анансировавшийся под названием 80586). Этот МП еще более мощен, особенно при вычислениях над вещественными числами.
Фирмой INTEL (США) в развитии МП 8086 и 8088 (отечественные аналоги К18110ВМ86 и К1810ВМ88) разработаны высокопроизводительные 16-разрядные Мп 80186, 80286 и 32-разрядные МП 80386, 80386SX, 80486.
Рассмотрим, как пример МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ 80286.
Он включает следующие микросхемы:
80286 - однокристальный 16-разрядный МП;
80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор;
82284 - генератор тактовых сигналов;
82288 - системный контроллер;
82289 - арбитр магистрали.
МП 80286 в 6 раз более производительнее МП 8086. Аппаратура МП обеспечивает гибкую и эффективную защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам ОС, изоляцию индивидуальных прикладных программ друг от друга и малое время реакций на прерывания.
В 80286 используется конвейерный принцип выполнения команд с четырьмя уровнями конвейеризации, реализованными в четырех раздельных логических устройствах: интерфейса шины, адресов команд и исполнительном устройстве. Эти устройства работают одновременно: циклы обращения к памяти, вечисления адресов и контроля защиты, декодирования и выполнения команд могут совмещаться.
Интерфейс шины передает байт инф. по каждому циклу тактовой частоты из своей очереди в устройство команд, которое декодирует и преобразует формат полных данных и помещает их в очередь команд, ожидающих выполнения .
Исполнительное устройтсво содержит рабочие регистры, АЛУ и микропрограммное ПЗУ, которое определяет последовательность внутренних микрокоманд. Когда текущая команда близка к завершению, ПЗУ генерирует сигнал, по которому исполнительное устройство принимает следующий адрес ПЗУ из очереди команд, что обеспечивает непрерывность его работы.
Многоуровневый механизм защиты памяти МП исключительно гибок: можно использовать два, три или четыре уровня защиты для системных программ, обеспечивая качество защиты для системных программ, обеспечивающих качество защиты команд, необходимое для любой конкретной ЭВМ.
Резервируя один уровень привилегированности для расширений ОС, можно специализировать функции ЭВМ, не затрагивая первоначального ПО.
Основным механизмом защиты предусматривается предоставление каждой задаче управляемого доступа к двум областям виртуальной памяти одной общей и одной частной - в соответствии с содержимым глобальной и локальной дескрипторных таблиц:
в глобальном перечисляются сегменты, к которым могут обращаться все системные задачи, с учетом ограничений только по уровням привилегированности;
в локальной перечисляются сегменты которые предоставляются только одной задачи, поскольку в каждую задачу подобная таблица входит как часть описания ее состояния, типичная ЭВМ будет содержать много ло кальных дескрипторных таблиц. Регистр-указатель этой таблицы автоматически загружается наряду с другими регистрами при переключении на данную задачу.
Дескриптор для каждого сегмента содержит базовый адрес, размер сегмента и поле прав доступа. Это поле определяет режим использования инф. данного сегмента.
Регистр признаков 80286 имеет дополнительный признак вложенности и двухразрядный признак уровня привилегированности операций ввода-вывода.
Устройство адресов производит преобразование адресов и одновременно контролирует права доступа; содержит кэш-память (хранит базовый адрес, предельное граничное значение и права доступа для всех сегментов вертуальной памяти, выбранных в данный момент для использования выполняющейся задачей). Наличие кэш-памяти сводит к минимуму необходимость в считывании указанной информации из основной памяти и позволяет устройству адресов выполнять свою функцию за один цикл тактовой частоты.
Параллельная работа четырех внутренних устройств дает возможность 80286 осуществлять управление виртуальной памятью и обеспечивать защиту всей памяти без снижения производительности.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80286
Тактовая частота----------6; 8; 10; 12
Адресное пространство памяти:
физической, Мбайт----------------16
виртуальной на задачу, Гбайт----------1
Число уровней защиты памяти----------4
Пропускная способность шины, Мбайт/с----12,5
Число контактов четырехразрядного корпуса--68
В 80286 предусмотрены 4 иерархических уровня защиты памяти, реализованных аппаратно, что повышает общую производительность ПЭВМ и не требует дополнительных программных затрат на выполнение функций защиты.
Ядро ОС работает на самом высоком уровне и выполняет такие наиболее ответственные функции, как распределение памяти, планирование задач и координацию взаимодействия между задачами. Небольшое по размеру ядро ОС хорошо использует быстродействие процессора, и его можно рассматривать ка расширение физического процессора.
Следующим после уровня ядра ОС идет уровень супервизора, управляющего ресурсами ввода-вывода, распределением буферов данных, глобальным планированием заданий. Программы супервизора имеют больший размер, чем программы на уровне ядра. Наименее надежные программы, например неапробированные программы пользователя, работают на 4 уровне, самом низком уровне привилегированности.
В 80286 имеются 17 регистров. Восемь предназначены для выполнения арифметических вычислений и формирования адресов, и смещений, и обеспечивают программную совместимость с 80286.
Четыре сегментных регистра определяют 4 сегмента области виртуальных адресов, предоставляемых выполняющейся задаче. Это регистры сегментов кода, данных, дополнительного сегмента и стека. Если в 8086 сегментные регистры являлись 16-разрядными, то в 80286 их длина увеличена до 64 разрядов, причем каждый из регистров содержит 16-разрядный сектор и 48-разрядный дескриптор.Задача использует 4 аппаратных сегментных регистра и может иметь доступ максимум к 16 К сегментам. Эти аппаратные регистры перезагружаются каждый раз, когда поступает запрос на новый сегмент, причем это делается прозрачно для программиста.
Использование в команда виртуальных адресов дает каждому пользователю возможность доступа к виртуальной памяти емкостью 1 Гбайт. Сегмент в 80286 - это часть диапазона виртуальных адресов, длина которой может меняться от 1 байта до 64 Кбайт. Средства работы с сегментами переменного размера обеспечивают более эффективное выполнение команд операций подкачки.
Виртуальный адрес состоит из селектора и смещения. Селектор - это индекс-расстояние от базового адреса дескрипторной таблицы до нужного элемента-дескриптора в этой таблице. Смещение - это расстояние до нужного байта данных в указанном сегменте. Набор команд 80286 является расширением расширением команд 8086 и обеспечивает программную совместимость с ним.
Он включает все виды команд 8086 и 80186 и дополнительные команды для работы со средствами управления памятью. Команды 80286 упрощают реализацию сложных ПЭВМ, разрабатываемых на современных языках высокого уровня.
Новые команды упрощают выполнение стековых операций, вычисление и контроль индексов динамических массивов, а также выполнение приказов входа и выхода из процедур в структурированных языках высокого уровня. При помощи привилегированных команд, которые могут выполняться только на высшем по приоритету уровне, т.е. в ядре ОС, можно устанавливать или изменять параметры памяти для системы.
ВЫСОКОПРИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СОПРОЦЕССОР 80287: Обрабатывает 32-, 64- и 80-разрядные операнды с плавающей точкой, 32и 64-разрядные данные с фиксированной точкой и 18-разрядные двоичнодесятичные числа.Он подключается к 80286 и использует ресурсы, подключенные к локальной шине данных. Как и 80286, сопроцессор может работать в режиме реальной адресации или защищенном режиме. На уровне объ ективных кодов 80287 совместимом с 8087 (аналог К1810ВМ87), имеет аналогичную структуру, размещен в таком же 40-контактном корпусе, но обладает большей производительностью.
Другой пример, МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ НАБОР 80386 32-разрядный МП.
Включает следующие микоросхемы:
80386 - быстродействующий 32-разрядный МП с 32-разрядной внешней
шиной;
80387 - быстродействующий математический сопроцессор;
82384 - генератор тактовых сигналов;
82358 - арбитр магистрали--.
МП 80386 оптимизирован для многозначных ОС и прикладных задач,для которых необходимо высокое быстродействие.Главной его особенностью является аппаратная реализация так называемой многосистемной програмной среды, обеспечивающей возможность совместной работы разнородных программ пользователей,ориентированных на разные ОС (UNIX, MS DOS, APS 86). МП 80386 обеспечивает программную совместимость снизу вверх по отношению к 16-разрядным МП 8086, 80186 и 80286.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80386
Тактовая частота, МГц----------16, 20, 25, 33
Адресное пространство памяти:
физическое, Гбайт--------------4
виртуальное, Тбайт--------------64
Число уровней защиты------------4
Пропускная способность шины, Мбайт/с--32
Число контактов корпуса с матричным разложением выводов--------------132
Архитектура со встроенными уст
МП 80386 содержит 6 блоков, обеспечивающих управление выполнением команд, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти устройства работают в виде конвейера, причем каждое из них может выполнять свою конкретную функцию параллельно с другими.
Таким образом, во время выполнения одной программы производится декодирование второй, а третья выбирается из памяти. Дополнительным средством повышения производительности служит специальный блок быстрого умножения (деления).УУП содержит блок сегментации и блок страничной организации. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных,и эффективное разделение памяти между задачами. Страничный механизм работает на более низком уровне и прозрачен для сегментации, позволя упарвлять физичиским адресным пространством. Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц размером 4 Кбайта.
Память организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гбайта. Каждая область адресного пространства может иметь связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип (стек, программа или данные) и характеристики защиты.
Устройство сегментации обеспечивает 4-х уровневую защиту для изоляции прикладных задач и ОС друг от друга.
МП 80386 имеет 2 режима работы: реальной адресации и виртуальной адресации с защитой. В реальном режиме 80386 работает как быстрый 8086 (при необходимости с 32-разрядными данными). РЕАЛЬНЫЙ РЕЖИМ необходим для установки процессора после сброса перед переходом в режим с защитой. Режим с защитой обеспечивает доступ к сложной системе управления памятью, страничной адресации и системе привилегий в процессоре.
Внутри режима с защитой программа может осуществить переключение задач для того, чтобы войти в задачи, отмечаемые как задачи виртуального режима 8086. Каждая такая задача позволяет исполняться любым программам 8086 (прикладной или целой ОС). Виртуальные задачи 8086 могут быть изолированы и защищены друг от друга и от главной ОС при помощи страничной адресации и эмуляции команд ввода-вывода.
В 80386 имеются 32 регистра, разделяемых на следующие группы:
общего назначения; сегментные; указатель команд и флаги; управления.
Шесть программнодоступных регистров отладки реализуют поддержку процесса отладки программ: четыре указывают четыре точки останова, управляющий используется для установки конторльных точек, а статусный показывает текущее состояние точек останова. Эти регистры обеспечивают задание контрольных точек останова по командам и данным, а также пошаговый режим выполнения программы.
СИСТЕМА КОМАНД МП 80386 подразделяется на следующие классы опера ций; пересылку данных; арифметику; сдвиг (циклический сдвиг); работу со строками; работу с битами; передачу управления; поддержку языков высокого уровня;поддержку ОС; управление процессором. Она содержит набор команд 80286 и дополнительные команды.
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ НАБОР 80486.
Включает следующие микросхемы:
80486 - быстродействующий 32-разрядный МП;
82596СА - 32-разрядный сопроцессор LAN;
82320 - контроллер магистрали Micro Chanel (MCA);
82350 - контроллер магистрали EISA;
82С508 - микросхема программируемой логики, минимизирующая объем
оборудования основной платы.
МП 80486 использует CISC-архитектуру и обеспечивает программную совместимость с 80386, в 2-4 раза более производительнее 80386 вследствии частичного применения RISC-архитектуры и внутренней 128-разрядной шины данных, внутреннего ОЗУ емкостью 8 Кбайт, реализации функций математического сопроцессора 80387, контроллера кэш-памяти 82385. Система команд содержит набор команд 80386 и дополнительные команды.
МП содержит более 1 млн. транзисторов, имеет тактовую частоту 25 или 33 МГц и размещен в 186-выводном корпусе с матричным расположением выводов. В МП используются раздельные 32-разрядные шины адреса и данных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачи данных до 106 Мбайт/с (при тактовой частоте 33 МГц).
Сопроцессор 82596 оптимизирован для выполнения функций файл-сервера, построения одно- и многопользовательских рабочих станций и мини-компьютера. Сопроцессор использует при передаче данных 32-разрядные шины и сигналы, что позволяет упростить сопряжение с арифметическими сопроцессорами и системной магистралью.
Фирма INTEL первой выпустила 16-битные МП. МП 8086 представляет собой значительно усовершенствованный вариант МП 8086/8085,а МП 8088 почти аналогичен 8086, но его внешняя шина данных имеет 8 бит.
Фирма INTEL лидирует на рынке 26-битных МП, МП 8086/8088 доминируют в конторских компьютерах, они применялись , например, в первых моделях IBM BC (8088), ACT SIRIUS (8088), DEC RAINBOW (8088), APRICOT (8086). В последующих моделях IBM PC ( и и в много численных "колоннах") используются более мощные МП 80186, 80286, 80386. Основные преимущества 16-битных МП фирмы INTEL и других фирм по сравнению с 8-битными заключается в следующем:
а) более быстрое выполнение команд;
б) расширенная система команд(например, имеются команды умножения и деления);
в) увеличенный объем памяти ( обычно 1 Мбайт и более) по сравне нию с 64 К байтами;
г) расширенный диапозон целых чисел ( от 0 до 64К вместо от 0 до 255);
д) большее число режимов адресации, что упрощает программы и по вышает их эффективность;
е) применение сопроцессоров, помогающих ЦП быстрее выполнять программы.
После хорошо зарекомендовавших себя 16-битных МП в начале 80-х годов стал неизбежен переход к 32-битным устройствам, которые обладают следующими преимуществами:
- позволяют обрабатывать 32-битные данные с большим диапазоном це лых чисел;
- обладают большем диапазоном адресации памяти, обычно 4 Гбайта; имеют более высокую скорость работы с частотой синхронизации 16 МГц и выше;
- характеризуются дополнительным набором команд и режимов адресации с обеспечение совместимости вверх с их предшественниками;
- имеют внутренние средства управления памятью и внутреннюю кэш-па мять для команд, в которой хранятся наиболее часто используемые команды и данные;
- обеспечивают увеличение производительности в 2-3 раза на стан дартных бенчмарк-программах.
Фирмы производители 32-битных МП утверждают, что по вычислительной мощности эти приборы соперничают с традиционными миникомпьютерами, например машинами VAX фирмы DEK. Хотя это утверждение не является бесспорным (в части быстродействия по командам, с учетом быстродействия сопроцессора и поддержки сложной операционной системы), все же 32-битные МП широко применяются в инженерных рабочих станциях, в области распознавания речи, в роботах, для автоматизации учрежденческой деятельности и в больших много пользовательских и мультиплексорных системах.
Наибольшее распространение получили МП 80386 фирмы INTEL, MC68020 фирмы ZILOG и транспьютер Т424 фирмы INMOS. Если первые три процессора представляют собой естественную эволюцию своих 16-битных предшественников и имеют обычную архитектуру, то в транспьютере реализован совершенно новый подход к архитектуре машины. По существу, он является RISC-процессором (компьютер со сокращенной системой команд) в отличие от CISC-процессора (компьютер со сложной системой команд).
Транспьютер спроектирован для работы в мультиплексорной конфигурации, т.е. несколько транспьютеров параллельно выполняют одну программную задачу. Разработка RISC-процессора является попыткой отойти от эволюционного развития ЦП с постепенным усложнением системы команд. Несколько исследовательских организаций и университетов попытались разработать ЦП с намного меньшим числом команд, что обеспечивает зна чительное повышение его производительности.
Важнейшие особенности " чистого " RISC-процессора заключаются в однотактной работе (многочисленные обращения к памяти не предусматриваются) и аппаратном управлении (выполнение команд опирается на быстро действующие схемы, а не на микрокод в отличие от обычных МП , в которых применяется медлительное управление через табличный микрокод, определяющий операции ЦП в каждой команде). Промышленный выпуск 32-битных RISC-процессоров пока освоили только фирмы INMOS (транспьютер) и ACORN (ARM - ACORN Mashine). Не исключено, что в архитектурах будущих компьютеров будет преобладать данный подход для обеспечения их более высокой производительности.
В 32-битных процессорах 80386, МС8020 и Z80000 используются кэш-память для команд и управление памятью, о которой необходимо сказать несколько слов. Очень быстрая кэш-память встроена в сам ЦП, либо помещается между основной памятью.Большая основная память всегда реализуется на микросхемах динамических ЗУПВ, которые хотя и дешевле,но менее быстродействующие по сравнению со статическими ЗУПВ. Если наиболее часто адресуемые команды и данные хранить в быстродействующей кэш-памяти на микросхемах статических ЗУПВ, то можно ускорить выполнение программы.
В большинстве программ наблюдается тенденция обращений к одним и тем же адресам памяти. В кэш-памяти хранится содержимое этих адресов вместе с самими адресами. Когда при выполнении программы потребуется содержимое одного из этих адресов, например считывается команда программы, кэш-память производит очень быстрое сравнение , определяя, не соответствует ли тэг (признак) запрошенного ЦП адреса одному из хранимых в кэш-памяти элементов. В случае успеха (попадания) команду можно считать из кэш-памяти, не обращаясь к медленной основной памяти. Чтобы оправдать применение Кэш-памяти, коэффициент попаданий должен быть достаточно высоким (обычно более 80% ). Типичный размер кэш-памяти составляет 4 Кбайта. Очевидно, чем больше кэш-память, тем выше коэффициент попаданий.
Управление памятью, введенное в 32-битные процессоры, предназначается для максимального распределения областей памяти между различными программами (и их данными), а также для обеспечения защиты программ. Это устройство может быть встроено в ЦП или быть выполнено в виде отдельной микросхемы, Устройство управления памятью преобразует формируемый ЦП логический адрес памяти в физический адрес, который и подается в память. Следовательно, ОС передает управление от одной программы к другой,причем обе программы разделяют один и тот же диапозон логических адресов, но в физической памяти они расположены отдельно. Кроме того, УУП обеспечивает защиту программ или данных, например, допуская считывание и назначая уровни привилегий.
Все 32-разрядные МП могут работать с сопроцессорами, среди кото рых наиболее распространен арифметический процессор с плавающей точкой. Все арифметические сопроцессоры удовлетворяют стандарту IEEE P754 с 80-битной расширенной точностью.
МП производятся по NMOП- или КМОП-технологиям и содержат от 200 до 300 тыс. транзисторов. Из-за увеличенного числа внешних соединений пришлось отказаться от корпуса типа DIP и перейти к корпусу с четырехсторонним расположением выводов.
ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ МП.
Тенденции МП определяются главным образом отставанием технологий их проектирования от более высоких темпов роста технологии производства микросхем, а также превышением спроса на популярные МП над предложением на продажу.
Характерным примером является развитие центральных МП с архитектурой 80386-80486. МП 80386 разработан по 0,3-Мбитной технологии (DRAM - 1 М, около 2 млн. транзисторов). В МП 80486 фактически был скопирован МП 80386, а в оставшиеся 700 тыс. транзисторов были размещены сопроцессор 80387 и кэш-память емкостью 8Кбайт.
В настоящее время в производство внедряется 4-Мбитная технология, в 1993-94 гг. ожидается 16-Мбитная технология, в 2000 г. - 128-Мбитная и т.д. Одновременно с этим существенно снижается стоимость производства 1 бита и соответственно МП. Например, стоимость МП 80486 снизится более чем в 30 раз.
ТЕНДЕНЦИИ РОСТА ПРИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МП ФИРМЫ INTEL.
МП частота, МГц год выпуска число транзисторов MIPS
80386 25 1986 0,3 млн. 16
80386 33 1988 0,3 24
80486 25 1990 1,2 27
80486 33 1991 1,2 30
80486 50 1992 1,2 40
В ноябре 1990 г. президент фирмы INTEL отметил, что с увеличением темпов микроминиатюризация чипов МП возрастет и производительность МП. Так, МП 80486 с тактовой частотой 25 МГц имеет производительность 27 MIPS, а 80486 с тактовой частотой 50 МГц - 40 MIPS.
К 2000 г. фирма предполагает обеспечить разработку МП системы, включающей 4 мп с 5 млн. транзисторов у каждого и обладающий производительностью 2000 MIPS.
Кроме того, в состав системы включаются два процессора 80860, два векторных процессора, кэш-память емкостью два Мбайта и усовершенствованный интерфейс для распознавания образов и голосового ввода-вывода
инф. Система пока получила условное название MICRO-2000, будет размещаться на чипе площадью в 1 кв. дюйм и должна работать на частоте 25 МГц.
Развитие возможностей технологии порождает множество проблем , связанных с совершенствованием МП (время разработки, надежность, поиск оптимальных решений и т.д.).
МИКРОСХЕМЫ НА БАЗЕ 80286. Для создания компактных и дешевых АТ-совместимых ПЭВМ с малым потреблением энергии фирма AMD разработала микросхему, содержащюю МП AMD286 и все базовые компоненты, тербуемые для построения компьютера. Микросхема имеет 2 варианта исполнения: Am286 и Am286LX, отличающиеся низким потреблением энергии.
Микропроцессорный набор содержит кроме AM286 микросхемы памяти DRAM, контроллеры клавиатуры и системной шины.
Микросхема Am286ZX разработана для использования в настольных ПЭВМ, а Am286LX - в портативных. Построенные на основе МП типа 80С286 схемы могут работать с частотой 12,5 и 16 МГц, непосредственно управлять микросхемами DRAM, сопроцессором 80С286, BIOS, контроллером клавиатуры и двумя разъемами AT-bus. Последнее особенно важно для использования в портативных ПЭВМ типа LAPTOP и notebook, нетребующих большого числа разъемов системной шины.
Наиболее широко микросхемы применяются в портативных ПЭВМ типа notebook, где низкое потребление энергии и компактность являются критическими параметрами. Эти микросхемы - основа перспективных портативных IBM PC AT-совместимых ПЭВМ.
МП ТИПА 386 ФИРМЫ AMD. Фирмой AMD создано несколько типов МП, аппаратно и программно совместимых с МП фирмы INTEL:
INTEL 80386DX 80386SX 80386SL
AMD AM386DX AM386SX AM386DXL
МП серии АМ386DX (с частотами 20, 25, 33 МГц) разработаны на основе транзисторов размером 0,8 мкм (в отличие от 1 мкм в 80386DX) и потребляют энергии на 69% меньше, чем в 80386DX.
В МП AM386DXL обеспечивается очень низкий уровень потребления энергии благодаря введению режима ожидания , в котором МП потребляет не более 1 mA.
По оценкам специалистов фирмы AMD, в МП обеспечивается меньший разброс характеристик, чем в 80386.
Тестирование МП AM386DX ( лабораторией журнала "Byte" ) показало его идентичность МП 80386.
Стоимость АМ386 соответствует стоимости 80386.
МИКРОСХЕМЫ НА БАЗЕ 80386. Фирма INTEL разработала МП набор с увеличенной степенью интеграции на базе МП 80386SX, состоящий из двух СБИС и содержащий все базовые компоненты, необходимые для построения портативных 80386SX-совместимых ПЭВМ типа notebook.
СБИС процессорного устройства 80386SL содержит МП 80386SX с уст ройствами управления памятью и кэш-памятью, поддержки расширенной памяти EEMS-LIM 4.0, схемы сопряжения с арифметическим сопроцессором 80387SX, управления системной шиной типа AT-bus (ISA-bus), буферами шины, обеспечивающими выход на 8 разъемов расширения ISA-bus, схемы управления системного энергопотребления.
СБИС подсистемы ввода-вывода 82360SL содержит большинство из стандартных компонентов подсистемы ввода-вывода компьютера: параллельный и последовательный порты ввода-вывода, управления прямым доступом в память (два контроллера 8237) и регенерацией памяти, часы реального времени, схемы выборки микросхем, счетчики/таймеры (два типа 8254), управление прерываниями (два контроллера 8258А) и интерфейс магистральных дисков.
МП 486SX. Для создания более дешевых и более производительных, чем 80386SX, МП фирмы INTEL разработала МП 80486SX (называемый также "облегченным" 486), который не содержит встроенного в чип арифметического сопроцессора с плавающей точкой. Первый вариант МП работает на частоте 20 МГц, второй - 25 МГц.
МП 80486SX построен на основе усовершенствования архитектуры МП 80386DX в направлении архитектуры 80486. По оценкам специалистов, производительность МП 80486SX (20 МГц)соответствует производительности МП 80386DX (33 МГц), а 80486SX (25 МГц) - МП 80386Dx (40 МГц).
МП 80486SX имеет более усовершенствованную архитектуру по сравнению с 80386DX, существенно упрощающую проектирование компьютера благодаря работающим внутри чипа устройствам ЦП, кэш-памяти и контроллеру системной шины, а также меньшей тактовой частотой , которая обеспечивает использование более простых микросхем и меньшую нагрузку локальной шины, чем при использовании МП 80386.
Наиболее широкое применение МП 80486SX найдут в дешевых персональных ПЭВМ, разрабатываемых проектировщиками ПЭВМ на базе МП 80386.
Отсутствие внешнего арифметического сопроцессора с плавающей точкой является критическим параметром для проектировщиков системных плат, которые предусматривают возможность замены МП 80486SX на 880486.
При обеспечении совместимости по выводам существенно упростится проектирование DEM-систем, так как не будет необходимости ориентироваться на системные платы с двумя типами системных шин AT-bus и EISA-bus, рассчитанных на использование 80386 и 80486 соответственно.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991.
2. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд. 4-е, перераб.и доп. - М.: Финансы и статистика, НПО "Информатика и компьютеры", 1994.
3. Холленд Р. Микропроцессоры и операционные системы: Краткое справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Пятибратов А.П. Вычислительные машины, системы и сети. - М.: Финансы и статистика, 1991.
5. Мячев А.А. Персональные ЭВМ: Краткий энциклопедический справочник. - М.: Финансы и статистика, 1992.