Тема 6_2010_Микроппроцессоры (Лекции (ещё одни))

ОглавлениеТема 6_2010. Микропроцессоры.1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРА ...................................................................... 12.СТРУКТУРА БАЗОВОГО МИКРОПРОЦЕССОРА........................................................................................ 53.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА БАЗОВОЙ МОДЕЛИ МП ФИРМЫ INTEL ....................................................... 84.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАБОТЕ МИКРОПРОЦЕССОРА .......................................

105. СЕМЬ ПОКОЛЕНИЙ МИКРОПРОЦЕССОРОВ СЕМЕЙСТВА INTEL ................................................. 111.Основные характеристики микропроцессора1) тактовая частота, определяющая максимальное время выполненияпереключения элементов в ЭВМ;2) разрядность, т.е. максимальное числом одновременно обрабатываемыхдвоичных разрядов.Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к томуили иному классу процессоров;n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 илиIA-32 (Intel Architecture 32 bit), или на более совершенной и производительной64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit).

Массовый выпуск ивыход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорацииAMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессор примечателен тем, чтоможет работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными.Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.3) архитектура.Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя системукоманд и способы адресации, возможность совмещения выполнения командво времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора,принципы и режимы его работы.

Выделяют понятия микро архитектуры имакро архитектуры.Микро архитектура микропроцессора - это аппаратная организация илогическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы,арифметико-логические устройства, запоминающие устройства исвязывающие их информационные магистрали.Макро архитектура - это система команд, типы обрабатываемыхданных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактноепредставление машины в терминах основных функциональных модулей,языка ЭВМ, структуры данных.В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойствасистемы команд, различают:•Микропроцессоры с CISC архитектурой.CISC (Complex Instruction Set Computer) - Компьютер со сложной системойкоманд.

Исторически они первые и включают большое количество команд. Всемикропроцессоры корпораций Intel (Integrated Electronics) и AMD (AdvancedMicro Devices) относятся к категории CISC.•Микропроцессоры с RISC архитектурой.RISC (Reduced Instruction Set Computer) - Компьютер с сокращенной системойкоманд.

Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждаяинструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростиласьструктура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие.Пример микропроцессора с RISC-аpхитектуpой - Power PC. МикропроцессорPower PC начал разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM, Motorola,Apple.•Микропроцессоры с MISC архитектурой.MISC (Minimum Instruction Set Computer) - Компьютер с минимальной системойкоманд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, такимобразом, программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.4).Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти, который можетобслужить микропроцессор.32-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти, а 64-хразрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.5).

Набор дополнительных инструкций (Instruction Set) - применяется всовременных CISC-микропроцессорах для ускорения работы.Естественно только при условии поддержки данных наборов со стороныприложения.Все традиционные современные процессоры поддерживают набор инструкцийMMX, который был самым первым (разработан корпорацией Intel еще в 1997году).

MMX расшифровывается как MultiMedia eXtensions (мультимедийныерасширения). Он представил дополнительные возможности, ориентированные наобработку цифрового изображения и звука. В основе технологии лежитконцепция (микро архитектура) SIMD (Single Instruction Many Data – "однакоманда, много данных"), когда при помощи одной инструкции одновременнообрабатывается несколько элементов данных.

SSE, SSE2, 3DNow! - дальнейшееразвитие этой идеи. Микропроцессоры Intel Pentium 3 поддерживают SSE, аPentium 4 и AMD Athlon 64 еще и SSE2 (это относится и к соответствующиммикропроцессорам Intel Celeron).Процессоры AMD Athlon и Duron поддерживают наборы инструкций3DNow!Professional и MMX, в Athlon XP была добавлена поддержка SSE (науровне микрокода ядра).6) Технологический процесс производства (Process Technology) – техпроцессопределяет размеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме.Измеряется в микрометрах (0,35 μm; 0,25 μm;…).

Чем меньше число, тем меньше самкристалл, следовательно, меньше потребляемая мощность и тепловыделение. А ведьтепловыделение сильно препятствует увеличению частоты, на которой работаетмикропроцессор. Где-то в 1997 году произошел переход с 0,25 μm на 0,18 μm технологиюпроизводства. А уже в 2001 году произошел переход на 0,13 μm технологию, чтопозволило намного увеличить частоту. Сегодня уже используется технология 0,09 μm.7).Производительность микропроцессора определяется параметрами:1. Тактовая частота (Частота ядра) (Internal clock) – это количествоэлектрических импульсов в секунду.

Каждый импульс несет в себе некуюинформацию - это могут быть команды процессору или данные памяти. Тактоваячастота задается кварцевым генератором - одним из блоков, расположенных наматеринской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с оченьвысокой точностью и лежит в мега или гигагерцовом диапазоне. Один герц - одинимпульс, один мегагерц - один миллион импульсов, один гигагерц - тысячамегагерц. Микропроцессор, работающий на тактовой частоте 800 МГц, выполняет800 миллионов рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложностиобрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни итысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одноготакта. Чем выше тактовая частота ядра, тем выше скорость обработки данных.Современные микропроцессоры работают на частотах от 300 МГц до 4,7 ГГц.

(?)2. Частота системной шины (System clock или Front Side Bus) – системная шинаслужит для связи микропроцессора с остальными устройствами. Микропроцессоримеет две частоты: тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем вышечастота системной шины, тем выше скорость передачи данных междумикропроцессором и остальными устройствами. Частота системной шинысовременных микропроцессоров от 66 МГц до 266МГц.3. Объем Кэш-памяти (Cache) – Кэш-память быстрая память малой емкости,используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения кпамяти. Кэш – промежуточное звено между микропроцессором и оперативнойпамятью.

Различают несколько уровней кэша: кэш первого уровня (L1) - кэшкоманд (инструкций) которые предстоит исполнить, кэш первого уровняразмещается на одном кристалле с процессором. Кэш второго уровня (L2) - кэшданных - используется для ускорения операций с данными (в первую очередьчтения). На общую производительность влияет размер кэша L2. Чем больше L2,тем дороже процессор, т.к. память для кэша еще очень дорога. Поэтомуэффективнее увеличивать частоту кэша, а для этого он должен находиться какможно ближе к ядру процессора. Кэш-память может работать на частоте 1/4, 1/3,1/2, 1/1 от частоты ядра. Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8Кб до 5Мб.8) Предельно эксплуатационные параметры микропроцессоров:• Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжениямикропроцессоров зависит от технологического процесса и от частоты ядра. Чемменьше кристалл и ниже частота, тем меньше напряжение питания.

Напряжениепитания современных микропроцессоров от 0,5 В до 3,5 В, чаще всего от 1,2 В до1,75 В.• Ток ядра – у современных микропроцессоров ток, протекающий через ядро от 1 Адо 90 А.• Потребляемая мощность – зависит от величины питающего напряжения и отчастоты ядра. Чем меньше напряжение питания и частота, тем меньше потребляемаямощность. Мощность современных микропроцессоров от 1Вт до 120 Вт. Чаще всегов пределах 40-70 Вт.• Максимальная температура нагрева кристалла – максимальная температуракристалла, при которой возможна стабильная работа микропроцессора. Усовременных микропроцессоров она колеблется в пределах от 60˚С до 95˚С.9) Физические параметры микропроцессоров (Форм-фактор):1.

Тип, размеры корпуса2. Размеры кристалла3. Количество выводов4. Форма расположения выводов2.Структура базового микропроцессораОснову центрального процессора современной ЭВМ составляет микропроцессор обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логическихпреобразований данных, для организации обращения к ОП и ВнУ и для управления ходомвычислительного процесса.В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров,различающихсяназначением,функциональнымивозможностями,структурой,исполнением.

Чаще всего наиболее существенным, классификационным различием междуними является количество разрядов в обрабатываемой информационной единице:8битовые, 16-битовые, 32-битовые,64-битовые.К группе 8-битовых микропроцессоров относятся i8080, i8085 (с буквы iначинаются названия МП, выпускаемых фирмой Intel - INTegrated Electronics), Z80 (сбуквы Z начинаются названия МП фирмы Zilog) и др.Наиболее распространение среди 16-битовых микропроцессоров поли i8086, i8088,32-битовых - i80386, i80486, которые совместимы по идам и форматам данных снизувверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях IBM PC.

Два изэтих микропроцессоров: i8086 и i8088 по назначению и функциональным возможностямодинаковы. Различаются они только разрядностью шины данных системной магистрали:МП i8086 имеет 16-битовую шину данных, а i8088 - 8-битовую. В связи с этим выборкакоманд и операндов из оперативной памяти производится за разное число машинныхциклов.