Попов И.И., Матвеев А.А., Максимов Н.В. Архитектура электронно-вычислительных машин и систем (2004) (1186255), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Начав в 1993 г.с отметки в 60 МГц и быстро миновав промежуточные барьеры(66,75,100,133 и 166 МГц), в 1996 г. Intel довела тактовую частотуPentium до 200 МГц и выше.Pentium Pro (1995 г.)Степень интеграции позволяла выжать из CISC-архитектурыпрактически все, перенять почти все технические решения, которыеранее применялись в супер-ЭВМ и мэйнфреймах. Pentium Pro стал такиммикропроцессором -шестое поколение МП. Новый CPU имеет триконвейера, каждый из которых имеет 14 ступеней.
Для постояннойзагрузки имеется высокоэффективный четырехвходовой кэш-команд ивысококачественная система предсказания ветвлений на 512 входов.Дополнительно для повышения производительности была примененабуферная память (кэш) второго уровня емкостью 256 Кбайт,расположенная в отдельном чипе и смонтированная в корпусе CPU.Этот кэш связан с CPU собственной синхронной 64-разрядной шиной,работающей на тактовой частоте МП. В результате стала возможнойэффективная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блокацелочисленной арифметики; блок загрузки; блок записи; FPU (FloatingPoint Unit — устройство арифметических операций с плавающейточкой).Технические характеристики Pentium Pro обеспечили ему устойчивый сбыт в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций.
Распространение Pentium Pro на ПК пока сдерживается относительно высокой стоимостью и недостаточным объемом прикладного про447граммного обеспечения. Он лучше всего работает с полностью 32-разрядными ОС, например, Windows NT или OS/2 Warp. Безусловно, этоявление носит временный характер.Архитектура Pentium Pro позволяет соединять между собоймножествопроцессоров,создаваятакимобразомгибкуюмасштабируемость, реализовав преимущества SMP (Symmetric MultiProcessing — симметричная мультипроцессорная система) новейшихОС.Имеется множество фирм (AMD - Advanced Micro Devices), Cyrix,Texas Instruments и др., которые своими изделиями конкурируют с корпорацией Intel. Мы их рассматривать не будем.Видимо, развитие линии Pentium Pro пойдет, в частности, в направлении увеличения тактовой частоты, снижения размеров технологическихнорм, увеличения емкости кэш-памяти первого уровня до 32 Кбайт (по 16Кбайт), Кроме того, будет усовершенствована архитектура с учетомтехнологий мультимедиа, в частности, цифровой обработки видеоинформации.
Например, процессор Р7 (совместная разработка Intel иHewlett Packard) будет полностью 64-разрядным, основанным на PA-RISCи будет поддерживать сверхдлинные инструкции VLIW (Very LongInstruction Word). Теоретически быстродействие этого процессора будет 1млрд. MIPS.Некоторые команды предназначены для повышения быстродействия(например, команда умножения требует 20 тактов, но если нет команды, тонужна соответствующая программа, которая выполнялась бы в течениесотен тактов). Однако такие команды выполняются не очень часто (зависитот задач).
Необходимо отметить, что каждая команда при своемвыполнении требует исполнения определенного количества микрокоманд.Если уменьшить их количество, то можно повысить быстродействие. Ноэто возможно при разработке новых CPU путем оптимизации микрокода.Одной из причин, снижающих быстродействие, является «состояниеожидания» CPU. Состояние ожидания происходит в тех случаях, когдацикл доступа к внешнему устройству или памяти превышает стандартноезначение. Время регенерации динамической памяти и обращения к ней(конфликтная ситуация) может порождать несколько состояний ожидания.На производительность влияют также задержки, вносимые дисководами, соответствующим типом принтера и используемым видеоинтерфейсом.ХарактеристикиГодвыпускаТактоваячастота80868028680386DX80386SX8.6.781.2.8217.10.8516.6.885MHz, 6MHz,8MHz, 10MHz,10MHz 12MHz20MHz,25MHz,33MHzКоличест-29 тыс.
130 тыс.270 тыс.16MHz,20MHz,25MHz,33MHz270 тыс.44880486DX10.4.8980486SX22.4.9125MHz,33MHz,50MHz16MHz,20MHz,25MHz,33MHz1.1 млн1.2 млнвотранзисторовБыстродействие(оп. в сек.)ТехнологическийпроцессХарактеристикаГод выпускаТактоваячастотаКоличествотранзисторовТехнологическийпроцесс0.3-0.7млн0.99-2.66млн5-11 млн2-2.9 млн27-41млн3 мкм1.5 мкм1 мкм1 мкм1 мкм, 0.8 мкм0.8 мкмPentium22.3.9360MHz,66MHz,75MHz,100MHz,120MHz,133MHz,150MHz,166MHz,200MHz3.1-3.3млнPentiumPRO1.11.95150MHz,166MHz,180MHz,200MHzPentiumMMX8.1.97166MHz,200MHz,233MHzPentium IICeleron7.5.97233MHz,266MHz,300MHz,333MHz,350MHz,400MHz,450MHz5.5 млн4.5 млн7.5 млн15.4.98266MHz,300MHz,333MHz,366MHz,400MHz,433MHz,466MHz,500MHz,533MHz7.5-19млн0.8 мкм, 0.6 мкм, 0.35 мкм0.6 мкм, 0.35 мкм0.35 мкмТип процессора Частота (МГц)8086802868038680486PentiumPentium II13-27млн4—128—2025—4033—10075—200200—3000.35 мкм, 0.25 мкм0.25 мкмРазрядность шины Разрядностьданныхшины адреса162016243232323264326432449PentiumIII26.2.99450MHz,500MHz,550MHz,600MHz,650MHz,700MHz,733MHz9.5-28млн0.25мкм,0.18 мкмАдресноепространство1Мб16Мб4Г64Г64Г64Г6Режимы процессора220=1048576Все 32-разрядные процессоры Intel исовместимые, начиная с 80386-го, могутвыполнять программы в нескольких режимах.Режимыпроцессорапредназначеныдлявыполнения программ в различных средах; вразных режимах возможности МП неодинаковы,потому что команды выполняются по-разному.
Взависимости от режима процессора изменяетсясхема управления памятью системы и задачами.Процессоры могут работать в трех режимах:— реальном,— защищенном,— виртуальном реальном режиме (реальномвнутри защищенного)..Реальный режимВ первоначальном IBM PC использовалсяпроцессор i8086, который мог выполнять 16450...10i8086разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, иадресовать только 1 Мбайт (220 байт) памяти, используя 20 разрядов дляадреса. Все программное обеспечение PC первоначально былопредназначено для этого процессора; оно было разработано на основе16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт.Например, DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на16-разрядные команды.
Эти 16-разрядные операционные системы иприложения были разработаны для выполнения на процессоре i8086.Более поздние процессоры, например i80286, могли такжевыполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальныйi8086, но намного быстрее. Другими словами, процессор i80286 былполностью совместим с первоначальным i8086 и мог выполнять все 16разрядные программы точно так же, как i8086, но, конечно же,значительно быстрее.
Шестнадцатиразрядный режим, в которомвыполнялись команды процессоров i8086 и i80286, был назван реальнымрежимом. Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должныиспользовать только 16-разрядные команды, 20-разрядные адреса иподдерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1Мбайт.Для программного обеспечения этого типа обычно используетсяоднозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться толькоодна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращенияперезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционнойсистемы другой программой; это означает, что224=16Мбпри выполнении нескольких программ вполнемогут быть испорчены данные или код одной из.них, а это может привести всю систему к краху(или останову)..Защищенный режимНесмотря на то что процессор i80286 как иi8086 является 16-разрядным, он (в отличие отпоследнего) может работать в новом –защищённом - режиме и имеет встроеннуюподдержкумультизадачныхоперационныхсистем, значительно ускоряющую и упрощающуюпроцесс переключения задач.
Эта поддержкаактивно используется всеми мультизадачнымиоперационнымисистемамииоболочками,разработанными для компьютера IBM PC.Адресная шина i80286 была увеличена с 20до 24 разрядов, что привело к расширениюадресного пространства с 1 до 16 Мб (224 байт).451..10i80286Новый метод адресации памяти позволил изолировать адресныепространства отдельных задач друг от друга. При этом прикладнаяпрограмма, работающая в среде операционной системы, использующейзащищённый режим, не может случайно или намеренно разрушитьцелостность самой операционной системы.В защищённом режиме программа может записывать данныетолько в те области памяти, которые выделены ей операционнойсистемой. Это сильно повышает надёжность работы мультизадачных и,в частности, мультипользовательских операционных систем.
Впоследнем случае изолирование адресных пространств задач,принадлежащих отдельным пользователям, в хорошо спроектированноймультипользовательской операционной системе полностью исключаеттакую ситуацию, когда после запуска одним пользователемнедостаточно отлаженной программы приходится перезапускать всюсистему.Следующие модели процессоров фирмы Intel - i80386, i80486 иi80586 (Pentium) были 32-разрядными. Помимо расширения адресногопространства до величины в 4 Гбайта (232 байт) в них реализованаконцепция страничной виртуальной памяти, возможной только взащищённом режиме.232=4ГбМеханизмстраничнойвиртуальнойпамятипозволяет.разместить часть оперативной памятинадиске.Приэтомразмер.оперативной памяти (виртуальной),.предоставляемойпрограммам,ограничен разве что лишь размером.свободного пространства на диске.Механизмстраничной1виртуальнойпамятиможет0обеспечить прикладные программыотносительно быстрой оперативнойпамятью, размер которой большеразмерафизическойпамяти,установленнойвкомпьютере.Перечислимкраткоосновныеi80386преимущества, которые получаетпрограмма,работающаявзащищённом режиме процессора:— возможностьнепосредственнойадресации памяти за пределамипервого мегабайта;— для процессоров i80х86 реализован80868086механизм страничной виртуальнойпамяти, позволяющий программам452работать с памятью, размер которой может быть много большефизической оперативной памяти, установленной в компьютере;— аппаратная поддержка мультизадачности позволяет создавать наоснове процессоров, работающих в защищённом режимевысокопроизводительные мультизадачные и мультипользовательскиесистемы.Виртуальныйреальныйрежим.Помимостраничнойвиртуальной памяти в процессорах i80386 и более поздних реализовантак называемый режим виртуального процессора i8086 или простовиртуальный режим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
