Микропроцессоры (Лекция 3)

Главной микросхемой ПК является микропроцессор – интегральная схема, выполняющая функции центрального основного вычисляющего элемента ЭВМ.

Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, обычно, арифметические действия, логические операции, передачу управления и перемещение данных между регистрами, оперативной памятью и портами ввода-вывода. С внешними устройствами микропроцессор сообщается благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы.

Классификация процессоров

По аппаратной реализации:

1. Однокристальные МП (одна БИС)

2. Многокристальные (несколько БИС)

3. Секционные (несколько БИС с возможностью аппаратного наращивания разрядности процессора)

По архитектуре системы команд:

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC (CISC – Complete Instruction Set Computer) и RISC (RISC – Reduced Instruction Set Computer).

Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.(IBM 360, IBM ES/9000, Intel x86 и модели архитектуры Pentium и AMD).

Система команд RISC-процессоров разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

В типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8-16 регистрами в CISC-архитектурах, что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.

В разработках компании Intel (Pentium P54C, P6), а также ее конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются.

Архитектура и система команд процессоров цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor) ориентирована на быстрое выполнение программ, реализующих определенный класс алгоритмов (цифровая фильтрация, свертка, корреляция, преобразование Фурье, адаптивная фильтрация, обработка изображений, анализ и синтез речи). Ключевые особенности: операция умножения с накоплением, выполняемая за один процессорный цикл, конвейерное выполнение программ, раздельные память программы и память данных, вспомогательные вычислительные блоки для вычисления адресов операндов за один машинный цикл.

За последние годы сформировалось несколько направлений, или семейств массовых высокопроизводительных микропроцессоров, конкурирующих друг с другом на рынке применений для десктопных компьютеров. Каждое семейство имеет свою микроархитектуру, или внутреннюю организацию процессорного ядра, разработанную на основе представлений её создателей о потребностях пользователей, критериях оценки производительности и прочих потребительских качеств, перспективах развития и рыночных тенденциях. Эти представления влияют на принятие разработчиками принципиальных решений о тех или иных ключевых архитектурных особенностях процессора и о различных компромиссах, заложенных в архитектуру. Несмотря на то, что общая организация суперскалярного процессора с внеочередным исполнением операций давно устоялась и воспроизводится в каждой современной архитектуре, имеется также большое количество принципиальных отличий между семействами. По существу, воспроизводится только общая структура процессора – организация его отдельных подсистем различается весьма значительно.