Lektsii_1_kurs / Лекция 6 (Микропроцессоры)

Лекция 6

Тема: Микропроцессоры

1. История развития процессоров.

2. Параметры процессоров.

Основной частью персонального компьютера является микропроцессор или центральный процессор – CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисление и обработку данных и является самой дорогой микросхемой персонального компьютера.

Первый процессор был разработан фирмой INTEL и представлен 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процессора составляла 108кГц (0,108 Мгц). Процессор содержал 2300 транзисторов и производился по 10 – микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда, что позволяло адресовать 640 байт памяти.

В апреле 1972 года фирма выпустила процессор 8008, которая работала на тактовой частоте 200кГц, содержал 3500 транзисторов и производился по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 16 разрядной, что позволяло адресовать 16Кбайт памяти.

Следующая модель процессор 8080, вышла в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайта оперативной памяти. На его основе был собран первый компьютер «Альтаир». Операционая система СР/М, а фирма Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC.

В июне 1978 года INTEL выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86, который до сих пор содержится в самых современных процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным - внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1Мгбайт памяти.

Процессор 8086 стоил довольно дорого и поэтому в 1979 году была выпущена более дешевая версия этого процессора под кодовым названием 8088. Этот процессор отличался от предыдущего 8-разрядной шиной данных. Содержал 30000 транзисторов и работал на частоте 5Мгц.

Последние процессоры фирмы INTEL содержат 30 000 000 млн. транзисторов и работают на частоте 500Мгц.

Наилучшее практическое подтверждение закона Мура, который гласит, что каждые два года количество транзисторов в процессоре будет удваиваться.

Параметры процессоров.

При описании параметров и устройства процессора часто возникает путаница. Рассмотрим следующие характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие.

Быстродействие измеряется в мегагерцах (МГц) - равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше, быстрее процессор.

В процессор входят три важных устройства, основным параметром которых является разрядность:

• Шина ввода и вывода данных;

• Внутренние регистры;

• Шина адреса памяти.

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ Компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц – одно колебание в секунду). Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. миллионах циклов в секунду.

Наименьшей единицей измерения времени для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум как один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания – это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не «убегал» вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.

Время, затрачиваемое на выполнение команд тоже непостоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. В процессорах Pentium среднее время выполнения среднестатической команды сокращено до одного такта. В современных процессорах за один такт выполняется как минимум три команды.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т.е. количество тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее, чем другой. Причина кроется в производительности. При одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium III – приблизительно на 50 % быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд за то же самое количество циклов.

Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному. Для оценки производительности и быстродействия Intel ввела тесты индекс iCOMP 2.0 (intel Comparative Microprocessor Performance – сравнительная эффективность микропроцессоров фирмы Intel)

Pentium 133 111

Pentium 200 142

Celeron 333 318

Pentium II 450 483

При подсчете iCOMP 2,0 учитываются операции с плавающей запятой и операции, необходимые для выполнения мультимедийных приложений.

После выпуска процессоров Pentium III фирма Intel представила новый индекс iCOMP 3.0 учитывающей работу с трехмерной графикой, мультимедиа и технологию Internet.

Pentium II 450 1240

Pentium III 450 1500

Pentium III 500 1650

Pentium III 550 1780

Почти все современные процессоры, начиная с 486DX2, работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на тактовую частоту системной платы. Например, Celeron 466 работает на тактовой частоте, в семь раз превышающей тактовую частоту системной платы (66МГц), а Pentium II 550 – на тактовой частоте, в пять с половиной раза превышающей тактовую частоту системной платы (100МГц).

Быстродействие Множитель

тактовой частоты процессора

Тип процессора	Быстродействие В МГц	Множитель тактовой частоты процессора	Тактовая частота системной платы, МГц
Pentium Celeron	500	7,5	66
Pentium II	350	3,5	100
Pentium II, III Xeon	450	4,5	100
Pentium III / Xeon	500	5	100
Pentium III/Xeon	533	4	133
Pentium Ш/Хеоn	600	4,5	133

Общая характеристика процессора - разрядность его шины данных и шины адреса. Шина это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представим пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если присоединить к этим проводам генератор напряжения в 220. В, а вдоль линии расставить розетки, то получиться шина. Независимо от того, в какую розетку будет вставлена вилка, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае 220В переменного тока.

В процессоре существует две основные шины; шина для передачи данных и адресов памяти; шина данных и шина адреса. Когда говорят о шине процессора чаще всего имеют в виду шину данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных – сигнал напряжения низкого уровня (около 0В). Разрядность шины данных процессора определяет разрядность банка памяти. Это означает, что процессоры Pentium II, считывают или записывают в память 64 бита одновременно.

Количество битов данных, которые может обрабатывать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. Регистр – это по существу, ячейка памяти внутри процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух различных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных.

В некоторых процессорах разрядность внутренней шины данных (а шина состоит из линий передачи данных и регистров) больше, чем разрядность внешней (например, 386SX – разрядность внутренней шині только вдвое больше разрядности внешней шины. Такие процессоры называют половинчатыми или гибридными.

В процессорах Pentium шина данных 64-разрядная, а регистры 32 – разрядные. Такое построение обусловлено тем, что в этом процессоре для обработки информации служат два 32 – разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом подобен двум 32-разрядным процессорам, объединенным в одном корпусе, а 64 – разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной. Pentium III имеет целых шесть внутренних конвейеров, эти процессоры могут выполнять три команды за один цикл.

Шина адреса – представляет набор проводников; по ним передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяют увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. ( Шину адресов можно ассоциировать с нумерацией домов или улиц).

В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому при двухразрядной адресации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00, 01, 10, 11) т.е.2².

В Pentiumah 6 разрядность шины адреса 36, память адресуемая 64Гбайта.

Характеристики процессоров фирмы Intel.

Процессор

Кратность тактовой частоты

Напряжение питания

Разрядность внутренних регистров

Разрядность шины данных

Максимальный объем памяти

Внутренний кэш, Кбайт

Тип внутреннего кэша

Кэш второго уровня, Кбайт

Быстродействие кэш второго уровня

Встроенный сопроцессор

Инструкции мультимедиа

Количество транзисторов

Время появления на рынке.

8088

1х

5

16

8

1Мб

-

-

-

-

-

-

29000

1979

8086

1х

5

16

16

1Мб

286

1х

386SX

1х

386SL

1х

386DX

1х

486SX

1х

486SX2

2х

487SX

1х

486DX

1х

486SL2

1х

486DX2

2х

486DX4

486 Pentium OD

Pentium60/66

Pentium 75-200

Pentium MMX

Pentium Pro 512Kb, 1Mb

Pentium II MMX

Pentium II Celeron

Pentium II PE3

Pentium II Xeon

Pentium III

Pentium III Xeon