Лекция6 (Лекции по микропроцессорной технике)

9

тема: ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ

Вопросы:

1. Структура базового микропроцессора

2. Система команд микропроцессора

3. Взаимодействие элементов при работе микропроцессора

Литература:

1 вопрос: [1] стр. 122-128;

2 вопрос: [1] стр. 128-132;

3 вопрос: [1] стр. 132-134.

1. Структура базового микропроцессора

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 (плотность монтажа - 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 Computing) 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, 180486, 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, а 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 1000 МГц и продолжает расти.

6.1

Ведущие фирмы-производители ЭВМ с целью совершенствования выпускаемой ими продукции активно ведут научные исследования, о чем свидетельствуют данные, приведенные в табл. 6.1.

Только за 1999 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 1999 г. IBM выпускает микропроцессоры РРС 750 с медной разводкой.

Постоянный научный поиск ведется в области технологии изготовления больших интегральных схем. Основными направлениями совершенствования являются увеличение плотности монтажа (т.е. сокращение физических размеров компонентов ИС), повышение быстродействия и надежности.

Микропроцессоры Pentium Pro фирмы Intel начали выпускаться по технологии 0,5 мкм (данный параметр характеризует минимально различимый размер компонентов ИС), a Pentium 2 выпускался уже по технологии 0,35 мкм. Микропроцессоры фирмы Intel Xeon (для серверов) и Celeron (для недорогих компьютеров) выпускаются по 0,25 мкм-технологии. МП Pentium 3 (тактовая частота в конце 1999 г. достигала 750 МГц) и Alpha фирмы Compaq (с тактовой частотой 1 ГГц) выпускаются по 0,18 мкм-технологии.

Считается, что переход на 0,13 мкм-технологию позволит повысить тактовую частоту МП до 1,3 ГГц. В то же время фирма Texas Instruments с 1998 г. осваивает 0,07 мкм-технологию.

Микропроцессоры фирмы Intel, начиная с Pentium 2, имеют ядро, выполненное в виде RISC-процессора, и аппаратный транслятор команд х86 в RISC-команды.

В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры фирмы Intel. Крупнейшими производителями аналогов микропроцессорам Intel (клонов) являются фирмы Cyrix и AMD.

Фирма Cyrix выпускает микропроцессоры М-1 и М-2, аналогичные Pentium, но превосходящие его по производительности. Так, М-1 с тактовой частотой 150 МГц по производительности эквивалентен МП Pentium с тактовой частотой 200 МГц.

Фирма AMD, завоевавшая около 30% рынка МП в России, выпускает микропроцессоры К-5, К-6 и К-7, соответствующие по архитектуре Pentium. Причем МП К-7 Thunderbird в 2000 г. работал с тактовой частотой 1 ГГц.

Поскольку огромный объем программного обеспечения разработан для системы команд базового микропроцессора фирмы Intel (i8086), все последующие разработки этой фирмы и фирм, выпускающих клоны, обеспечивают совместимость с базовой моделью.

Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit, EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit, BIU).

В исполнительном блоке находятся арифметический блок (АБ) и регистры общего назначения (РОН).

Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Восемь регистров исполнительного блока МП (AX, BX, CX, DX, SP, ВР, SI, DI), имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения - АХ, BX, CX и DX, каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двух регистров длиной 0,5 машинного слова: аккумулятор, или регистр АХ, состоит из регистров АН и AL. Регистр базы (Base Register) BX состоит из регистров ВН и BL. Счетчик (Count Register) CX включает регистры СН и CL. Регистр данных (Data Register) DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров - эти названия говорят о наиболее частом использовании их или об особенности использования того или иного регистра в той или иной команде.

Вторую группу составляют SP, ВР, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров адресные регистры: увеличено). Эти регистры активно используются по функциональному назначению и в других целях их применять не рекомендуется. В качестве адресного регистра часто используется РОН ВХ. Программно допускается использование регистров ВР, DI и SI в качестве регистров для хранения операндов, но отдельные байты в этих регистрах недоступны. Основное их назначение - хранить числовые значения, реализуемые при формировании адресов операндов.

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ).

Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS (указатель сегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительного сегмента) и др. - служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд. Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, «выпавший» из АЛУ во время сдвига) или являются резервными (т.е. не используются).