Проектування мпс

34. Мікропроцесори 2 і 3-го покоління фірми Intel.

Втрое поколение (80286 и сопроцессор 80287) добавило в семейство так называемый «защищённый режим», позволяющий употреблять виртуальную память размером до 1Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищённый режим является основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Производительность процессоров 80286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера.

Третье поколение (80386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита – более четырё миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. На этих процессорах начала широко использоваться система Microsoft Windows.

Этапы развития микропроцессорной техники

За всю историю развития микропроцессорной техники, ведущие позиции в этой области занимает американская фирма Intel (Integrated Electronics). В 1971 году она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. Он содержал 2300 транзисторов, выполненный по технологии 10 мкм, работал на частоте 108 кГц, адресовал 640 байт памяти и имел производительность 0,06 MIPS. Но подлинный успех фирме Intel принес 8-битный микропроцессор 8080, который был выпущен в 1974 году. Он имел частоту 2 мГц, адресовал 64 Кбайта памяти, вмещал 6000 транзисторов благодаря технологии 6 мкм.

Процессор требовал трех источников питания (+5, +12, -5 В) и сложной двухтактной синхронизации. Этот микропроцессор получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей стране его аналог - микропроцессор К580ИК80 применяется во многих бытовых и персональных компьютерах и разнообразных контроллерах.

Следующим этапом стал микропроцессор 8085, выполненный по технологии 3 мкм, размещал на кристалле 6500 транзисторов, имел тактовую частоту 5 мГц и производительность 0,37 MIPS. Архитектура этого микропроцессора соответствовала архитектуре 8080, но в него добавили порт последовательного интерфейса, и перешли на единое питающее напряжение +5 В.

В 1979 году фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086, возможности которого были близки к возможностям процессоров миникомпьютеров 70-х годов. Этот микропроцессор работал на частоте 5 мГц, производительность его составляла 0,33 MIPS, но обрабатывал 16-битные операнды. Был выполнен по технологии 3 мкм с 29000 транзисторами на кристалле. Микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое обычно называют семейством 80х86. Аналог этого микропроцессора К1810ВМ86 применяется в персональных компьютерах, выпускаемых в нашей стране.

Желание расширить адресное пространство памяти до 1 Мбайта в процессоре с 16-битными регистрами заставило использовать в микропроцессоре 8086 сегментную организацию памяти, которая в последующих микропроцессорах фирмы Intel было сохранено ради совместимости.

Через год появился МП 8088, архитектурно повторяющий МП 8086 и имеющий 16-битные внутренние регистры, но ее внешняя шина данных составляет 8 бит. Широкой популярности МП 8088 способствовало его применение фирмой IBM в ПК РС и РС/ХТ.

Очень быстро для этих компьютеров был накоплен такой огромный объем программного обеспечения, что в последующих МП фирме Intel пришлось предусматривать специальный режим эмуляции МП 8086. Обычно этот режим называется режимом реального адреса (Real Addres Mode) или R-режим.

В 1981 году появились МП 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру МП 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. Кроме того, была расширена система команд. Однако широкого распространения эти МП (как и ПК PCjr на их основе) не получили. Следующим крупным шагом в разработке новых идей стал МП 80286, появившийся в 1982 году. Разработанный по технологии 1,5 мкм, он содержал 134000 транзисторов. При разработке этого МП были учтены достижения в архитектуре миникомпьютеров и больших

компьютеров. МП 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует МП 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса или Р-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них отметим расширение адресного пространства до 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти (1 Гбайт) и мультизадачности. МП 80286 применялся в ПК РС/АТ и младших моделях PS/2.

В 1986 году появился новый микропроцессор фирмы Intel 80386 (275000

транзисторов, 1,5 мкм). При разработке этого 32-битного МП потребовалось решать две задачи: совместимость и производительность. Первая из них решена путем введения трех режимов работы.

В R-режиме, который действует после включения питания или системного сброса, процессор копирует работу МП 8086 и использует 16-битные регистры; адресное пространство составляет 1 Мбайт памяти.

В Р-режиме МП 80386 может выполнять 16-битные программы МП 80286 без каких-либо модификаций. Вместе с тем в этом режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. В этом режиме реализуются все новые возможности и средства МП 80386, такие как масштабированная индексная адресация памяти, ортогональное использование РОН, новые команды, средства отладки, а также введен режим страничного управления памятью.

Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайта. Операционная система Р-режима может создать задачу, которая работает в режиме виртуального процессора 8086 или V-режим. Прикладная программа, которая выполняется в этом режиме, полагает, что она работает на процессоре 8086. Однако, программе запрещается выполнять некоторые

команды, связанные с управлением ввода вывода. Поэтому при нарушении правил защиты генерируется прерывание и управление передается ОС.

Позже, в 1988 году появился МП 80386 SX, который полностью совместим с процессором 80386, но имеет внешнюю шину данных 16 бит и адресное пространство 16 Мбайт. После этого полноразрядный вариант получил официальное название 80386 DX. В 1990 году был выпущен МП 80386 SL в миниатюрном корпусе и с пониженным потреблением энергии, разработанный специально для портативных компьютеров.

В 1989 году фирма Intel выпустила на рынок МП 80486, содержащий в кристалле 1,2 миллиона транзисторов и выполненный по технологии 1 мкм. Два главных отличия от предыдущего МП состоит в том, что математический сопроцессор реализован на одном кристалле с центральным процессором FPU (Floating Point Unit) и имеется внутренняя

совмещенная кэш-память команд и данных емкостью 8 КБайт. Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре применено RISC-ядро.