3.1.2. Центральный процессор эвм

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор (МП) – 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, 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-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битные и др.);

• технология изготовления (0.5 мкм – технология; 0.35 мкм; 0.25 мкм; 0.18 мкм; 0.13 мкм; 0.07 мкм и т.д.).

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 кеш-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 кеш-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 «PPC». Фирма Intel (INTegrated ELectronics) совместно с Hewlett Packard разрабатывает RISC-процессор «P7» с тактовой частотой более 900 МГц, обеспечивающий совместимость с 32-битными МП. Прогнозируется, что два из этих микропроцессоров (PPC и P7) в модифицированном виде будут использоваться до 2025 года.

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-битные микропроцессоры i8080, i8085 (с буквы i начинаются названия МП, выпускаемых фирмой Intel), Z80 (с буквы Z начинаются названия МП фирмы Zilog) и др. 16-битные микропроцессоры i8086, i8088; 32-битные – i80386, i80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, которые совместимы по командам и форматам данных снизу вверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях IBM PC.

Два из этих микропроцессоров – i8086 и i8088 являются родоначальниками серии микропроцессоров, получивших сокращенное наименование «x86» (все последующие типы МП основываются на них и лишь развивают их архитектуру). По назначению и функциональным возможностям эти два микропроцессора одинаковы. Различаются они только разрядностью шины данных системной магистрали: МП i8086 имеет 16-битную шину данных, а i8088 – 8-битную. 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.

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 введен встроенный блок управления ОП, работающей в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4 Гбайт при 16 Мбайтах 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, вводится 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.

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).

Начиная с МП i80586, цифровая характеристика микропроцессора заменена названием. Этот микропроцессор получил название «Pentium».

Тактовая частота микропроцессора Pentium быстро выросла с 60 МГц до 200 МГц. В этот микропроцессор встроено два внутренних кэша: кэш команд и кэш данных (каждый по 8 Кбайт), в нем реализовано «интеллектуальное» управление потреблением мощности: при работе с малой нагрузкой МП автоматически переключается в режим малого потребления электроэнергии; если ЭВМ в течение большого промежутка времени не используется совсем, МП переходит в «режим покоя». Экономия электроэнергии приводит к снижению нагрева микропроцессора, а следовательно – к увеличению срока его службы.

Разработан новый тип микропроцессора – Pentium MMX (MultiMedia Extention), в котором реализована архитектура вычислительных систем класса SIMD, введено 57 новых команд, необходимых для обработки аудио, видео и телекоммуникационной информации.

Следующая разновидность микропроцессоров – Pentium Pro – имела в том же корпусе кэш-память второго уровня объемом 256-512 Кбайт. Кроме того, в этом микропроцессоре система команд х86 транслировалась в RISC-команды (три х86-команды преобразовывались в 12 RISC-команд), исполнявшиеся параллельно работающими блоками вычислений.

В последующих разновидностях микропроцессоров (Pentium II, Pentium III, Pentium IV) вводится ряд усовершенствований, позволяющих повысить тактовую частоту, емкость сверхоперативной памяти, быстродействие и надежность функциональных блоков. Тактовая частота, например, быстро проходила ряд: 533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800, 850, 866 МГц, 1, 1.13, 1.4, 1.5 ГГц и выше. Ведутся работы по освоению технологии SiGe, позволяющей освоить выпуск микросхем, работающих в диапазоне частот 20-50 ГГц.

Объем кэша 1 уровня вырос до 16 + 16 = 32 Кбайт. Начиная с Pentium Pro, все последующие модели обеспечивают выполнение команд с изменением последовательности, суть которой заключается в том, что мультискалярная архитектура (т.е. наличие в составе микропроцессора нескольких параллельно работающих арифметических конвейеров) допускает, что при параллельном выполнении команд программы один из конвейеров может выполнить свою работу раньше, чем ее закончат другие – и процесс вычислений вынужден останавливать конвейер в ожидании получения необходимых результатов. Такие ситуации нарушают естественную последовательность выполнения команд программы.

Ведущие фирмы – производители ЭВМ с целью совершенствования выпускаемой ими продукции активно ведут научные исследования, о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице 3.

Таблица 3.