ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет)”
Замковец с.В. Левин н.А. Попкова е.Я. Архитетура микропроцессоров
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
МОСКВА 2008
ББК 32.849+32.973-04 П18
Удк 681.3.06
Рецензенты: В.Л. Шатуновский д.т.н., Д.Н. Великанов к.т.н.
П18 Замковец С.В., Соколов И.А. Архитектура микропроцессоров: Учебное пособие / Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) – М., 2008. – 80 с.
ISBN 5-7339-
Рассмотрены основные элементы архитектуры микропроцессоров. На основе функциональной модели микропроцессора рассматривается работа микропроцессоров. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220100, а также для студентов, самостоятельно изучающих работу микропроцессоров.
Ил.9, Библиогр.: 7 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.
© С.В.Замковец,
Н.А.Левин,
Е.Я.Попкова, 2008
ВВЕДЕНИЕ
История микропроцессоров началась в 1971 году, когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разрядность данных 4 бит, способность адресовать 640 байт памяти и тактовую частоту 108 Кгц. Этот микропроцессор содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм.
В 1974 году появился 8-разрядный процессор i8080, который имел частоту 2 Мгц, адресовал 64 Кбайт памяти и содержал 6000 транзисторов, выполненных по технологии 6 мкм.
В это же время ряд компаний начали выпускать микропроцессоры собственной разработки и самыми известными 8-разрядными микропроцессорами были МС6800 фирмы Motorola и Z80 фирмы Zilog. Однако преимуществом кристаллов фирмы Intel являлось наличие системного программного обеспечения – операционных систем.
В 1978 году фирма Intel выпустила первый 16-разрядный процессор i8086, который содержал 29000 транзисторов, выполненных по 3 мкм технологии. С этого микропроцессора и началась история персональных компьютеров, первым из которых был IBM PC. Система команд данного процессора состояла из 147 инструкций, которые позволяли решать задачи управления практически любой сложности. Вычислительная мощь 16-разрядных приборов была поддержана арифметическим сопроцессором i8087, который позволил превратить персональный компьютер в достаточно мощный инструмент и для решения задач вычислительного характера. В феврале 1982 года появился процессор i80286, в котором были аппаратно реализованы средства защищенного режима, что позволяло значительно расширить объем используемой памяти. Однако операционной системы, поддерживающей работу микропроцессора в защищенном режиме, в то время еще не существовало и поэтому этот микропроцессор использовался просто как быстрый процессор i8086.
Первый 32-разрядный микропроцессор i80386 появился в 1985 году. Использование 1 мкм технологии позволило разместить на кристалле 275 тысяч транзисторов. 32 разряда адреса обеспечили адресацию физической памяти объемом 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Предварительная выборка команд, буфер на 16 инструкций, конвейер команд и аппаратная реализация функций преобразования адреса значительно уменьшили среднее время выполнения команды.
В 1989 году корпорация Intel объявила о начале выпуска 32-разрядного процессора второго поколения – i80486, который был реализован с использованием 1,2 млн транзисторов.
В 1993 году появились первые процессоры Pentium – 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных. Эти приборы содержали 3,1 млн транзисторов и были выполнены по технологии 0,8мкм. Эти микропроцессоры обладали суперскалярной архитектурой, поскольку содержали два конвейера, т.е. за один такт процессор выдавал на выход две обработанные команды. В 1995 году Intel выпустила на рынок процессор Pentium Pro, в котором был реализован механизм динамического определения порядка выполнения команд. Этот микропроцессор также содержал вторичный кэш, работающий на частоте ядра.
В начале 1997 года Intel выпустила процессор Pentium MMX. Технология MMX призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Эти приборы содержат 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм.
В настоящее время в опытной эксплуатации для использования в качестве мощных серверов находится новая разработка – 64-разрядный микропроцессор под кодовым названием Itanium.
Целью данного пособия является изучение архитектур современных микропроцессоров. В первую очередь необходимо определить понятие архитектуры.
В настоящее время микропроцессоры представляют собой очень сложные устройства и содержат несколько миллионов транзисторов. Вследствие такой сложности при их проектировании используются специализированные САПР, окончательной целью работы которых является изготовление комплекта фотошаблонов, при помощи которых впоследствии и осуществляется изготовление СБИС. Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластины, на которых нанесен специализированный рисунок, отдельные элементы которого являются либо компонентами электронных элементов, либо предназначены для соединения этих компонентов между собой. Размеры этих элементов являются чрезвычайно малыми (в настоящее время минимальный размер элементов составляет 0,13 – 0,18мкм). Поскольку рисунок на фотошаблонах представляет собой только геометрические фигуры, то можно говорить о том, что такой комплект фотошаблонов представляет собой структурную модель микропроцессора, т.е. модель, которая не содержит никаких функциональных элементов, реализующих какую-либо функцию.
Такая структурная модель получается с использованием САПР из модели транзисторного уровня, которая представляет собой электрическую схему микропроцессора в обычном понимании такого представления. Модель транзисторного уровня уже является функционально-структурной моделью, поскольку в этой модели присутствуют как функциональные элементы (транзисторы), так и структурные, представляющие собой соединения этих транзисторов.
В свою очередь модель микропроцессора транзисторного уровня получается из модели более высокого уровня – из модели вентильного уровня, которая также является функционально-структурной. В этой модели функциональные преобразования осуществляют вентили – логические элементы, которые выполняют какие-либо логические функции, например, функцию И или же функцию И-НЕ. Выбор логических функций осуществляется исходя из технологических возможностей разработчика.
Модель вентильного уровня в свою очередь разрабатывается из модели более высокого уровня, который называется уровнем регистровых передач. На этом уровне модель представляется набором регистров, которые связаны между собой функциональными устройствами, осуществляющими обработку данных при передаче информации между регистрами. Все указанные модели микропроцессора являются функционально-структурными, составляют иерархию моделей и используются различными САПР при проектировании СБИС микропроцессоров.
Самый верхний уровень представленной иерархии является полностью функциональным, т.е. не содержит никаких связей и называется архитектурным уровнем модели микропроцессора, или просто архитектурой микропроцессора. Эта модель содержит только описание набора выполняемых этим микропроцессором функций.
Для того чтобы рассмотреть, какие функции выполняются этой моделью микропроцессора, необходимо обратиться к рис 1. На этом рисунке квадратиками представлены выполняемые микропроцессором функции, а стрелки, соединяющие эти квадратики, показывают, что отдельные функции имеют связь между собой, т.е. результат "работы" одной функции влияет на "работу" другой функции.
Работу микропроцессора при помощи функций, выполняемых микропроцессором, можно представить следующим образом. Входом функции декодирования команд Fdec является команда, поступающая в микропроцессор из внешней среды - из памяти, предназначенной для хранения команд. Эта функция Fdec осуществляет подготовку команд для функции выполнения команд Fop, определяет и передает параметры для функции режимов адресации Fam и осуществляет управление функцией счетчика команд Fip.
Рис.1 Функциональная модель микропроцессора
Функцией счетчика команд Fip в первую очередь является контроль адреса выполняемой команды и формирование адреса следующей команды; кроме того, эта функция осуществляет расчет или загрузку новых значений счетчика команд при выполнении различных переходов, а также при выполнении микропроцессором предварительной выборки команд функция Fip следит за адресом этой выборки.
Результатом функции Fip является исполнительный адрес команды, который при помощи функции преобразования адресов команд Fcc преобразуется в реальный физический адрес.
Функция режимов адресации Fam определяет место расположения операндов - в памяти данных или в регистровом файле, который находится внутри микропроцессора. Если операнд расположен в памяти, то функция Fam определяет виртуальный адрес операнда, который при помощи функции преобразования адресов данных Fcd преобразуется в реальный физический адрес. Если же операнд расположен в регистровом файле, то функция Fam обращается для выборки операнда к функции регистрового файла Frs
Операнды, поступившие из памяти данных или из регистрового файла, обрабатываются при помощи функции выполнения команд Fop, при этом результат помещается либо в память, либо в регистровый файл. Ниже будут подробно рассмотрены некоторые из представленных функций.
Однако понятие архитектура имеет и прикладной характер. В соответствии с этим архитектура определяется как набор атрибутов, которые видны программисту, который разрабатывает программу на машинном языке, т.е. на ассемблере. К этим атрибутам относятся набор команд микропроцессора, формат команд, типы обрабатываемых данных, коды операций, режимы адресации, все внутренние, доступные регистры, а также все ячейки памяти, которыми можно непосредственно пользоваться.