38.Универсальные микропроцессоры.

Общие сведения.

На рынке универсальных микропроцессоров доминирующее положение занимают микропроцессоры компании Intel и их клоны с системой команд Х86. К 1995 году их было выпущено свыше 70 миллионов штук и, начиная с этого, годовой прирост выпуска составляет от 10 до 15%. К настоящему времени сложились следующие архитектуры микропроцессоров:

– архитектура Х86: компания Intel, AMD, Cyrix

– архитектура Power PC: IBM, Motorola

– архитектура РА: Hewlett Packard

– архитектура Alpha: DEC (Compaq)

– архитектура SPARC: Sum

– архитектура MIPS: Silicon Graphics

В настоящее время в семействах микропроцессоров с архитектурами Х86 SPARC, Alpha – имеются микропроцессоры с, так называемым, ММХ – расширением. Исторически микропроцессоры архитектуры Х86 доминировали в персональные компьютеры общего назначения, а RISC процессоры в совокупности с графическими процессорами и улучшенными системами ввода/вывода образовывали процессоры рабочих станций.

К настоящему времени процессоры архитектуры Х86 успешно продвинулись на рынок рабочих станций, равно, как и производители рабочих станций выходят со своими RISC процессорами.

В рамках ускоренной стратегической компьютерной инициативы в США реализуются проекты построения суперкомпьютеров, производительностью 10 триллионов операций в секунду и выше на базе микропроцессоров Pentium, Alpha, Power PC и др., которые могут содержать 10 миллионов процессоров в одном суперкомпьютере.

К настоящему времени основные производители универсальных микропроцессоров обладают примерно равными технологическими возможностями их производства, поэтому на первое место в борьбе за скорость выходит фактор архитектуры микропроцессора.

Кроме ранее рассмотренных нами направлений быстродействий микропроцессоров и компьютеров на их основе, в настоящее время выделяют ещё 2 направления:

1. Speed Demon – характеризуется стремлением к достижению высокой производительности за счёт высокой тактовой частоты микропроцессора.

2. Связано с достижением высокой производительности за счёт усложнения логики планирования вычислений, производимых микропроцессором и внутренней структуры микропроцессора.

Компании, производящие RISC процессоры, создают свои архитектуры со всё возрастающими тактовыми частотами и производительностью, развивая решения, характерные для суперскалярных микропроцессоров. Общая особенность этих микропроцессоров – высокоскоростная обработка 64-хразрядных операндов, с фиксированной и плавающей точкой. Производительность таких микропроцессоров приближается к миллиарду операций в секунду.

В то же время, преодолевая основные недостатки RISC процессоров, большой объём кода программ, их разработчики позволяют себе отходить от канонических основ RISC архитектуры, включая в системы команд составные команды.

В процессорах направления Х86, начиная с процессоров четвёртого поколения (486) также стали применять комбинированную архитектуру CISC и RISC: CISC процессор имеет RISC ядро.

39.Микропроцессор с архитектурой х86.

История микропроцессора Intel началась в 1971 году с микропроцессора Intel 4004, обладающего следующим параметрами:

Разрядность – 4 бита

Адресное пространство – 640 байт оперативной памяти

Тактовая частота – 108 КГц

Производительность – 0,06 MIPS

Содержал 2.300 транзисторов и выполнялся по технологии 10 мкм.

Его можно было использовать в качестве вычислительного ядра для калькуляторов.

В 1972 году появился 8-миразрядный Intel 8008, адресовавший 8 разрядов.

Микропроцессор Intel 8080 – 2 МГц, 64Кбайта оперативной памяти и, благодаря технологии 6 мкм, содержал 6.000 транзисторов. Основной недостаток – требовал сложной 2-хтактной синхронизации и 3-х источников питания ( и ). Этот процессор стал родоначальником всех процессоров линии Intel. На нём строили разнообразные терминалы, промышленные контроллеры и первый персональный компьютер Altair.

Начиная с этого микропроцессора Intel 8085, 5 МГц, 6.500 транзисторов, 370.000 операций в секунду, технология 3 мкм. Имел регистровую структуру процессора Intel 8080 и имел с ним программную совместимость. Начиная с этого процессора, произошёл переход на один источник питания ().

Аналогичными параметрами обладал микропроцессор Z80 фирмы Ziploc. Введённые в этот микропроцессор 280 дополнительных регистров, давали производительность некоторых приложений (графика), не уступающим, появившимся в дальнейшем, 16-тиразрядным микропроцессорам. 16-тиразрадный Intel 8086 был выпущен в 1978 году. Частота 5 (4,77) МГц, 8 МГц, 10 МГц, 330.000 операций в секунду, технологии 3 мкм, 29.000 транзисторов в одном кристалле, адресуемая память возросла до 1 Мбайт.

Микропроцессор оставил общие идеи своего родоначальника Intel 8080, однако регистровая архитектура и система команд уже отличались. Через год появился Intel 8088, это тот же Intel 8086, но, в отличие от него, он имел 8-миразрядную шину данных. Таким образом, обмен 16-тиразрядными словами по этой шине шёл в 2 приёма. Именно с микропроцессора Intel 8088 и началась история IBM PC, которая до сегодняшнего дня неразрывно связана с развитием микропроцессора фирмы Intel.

Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам развития программного обеспечения для них. Именно в это время возникает принцип программной совместимости, позволяющий старым программам работать на новых процессорах. Поэтому архитектура новых процессоров должна была пристраиваться к существующему ядру старых процессоров и отражать особенности архитектуры компьютеров IBM PC.

Следующий этап архитектуры микропроцессоров Х86 – Intel 80286, появившейся в 1982 году. Они делались по технологии 1,5 мкм, содержали 134.000 транзисторов и могли адресовать 16 Мбайт физической памяти.

1985 год можно считать годом рождения 32-хразрядных процессоров. Появляется Intel 80386 технологии 1,5 мкм, 275.000 транзисторов, разрядность шины данных и регистров = 32, адресуемая память = 4 Гбайт, число команд = 220 MIPS.

На базе этого микропроцессора стала развиваться операционная система Microsoft – Windows, и с этого момента стала заметно выдвигаться тенденция положительной обратной связи: появление нового микропроцессора инициализировало появление новых программных продуктов, последние версии которых уже с трудом работали на этих микропроцессорах, что стимулировало появление нового, более производительного процессора, ресурсы которого также оказываются недостаточными для новых версий программных продуктов.

Как и в истории микропроцессоров Intel 8086/8088, первую модель с 32-хразрядной шиной данных Intel 80386 DX сменил микропроцессор с 16-тиразрядной шиной данных Intel 80386 SX. Это позволило новой версии микропроцессора легко вписываться в господствующую в то время архитектуру IBM PC/AT, которая базировалась на 16-тиразрядном процессоре Intel 80286.

В 1989 году появился Intel 80486 DX – технология 1 мкм, 1,2 миллиона транзисторов, имел встроенный математический сопроцессор FPU, все предыдущие микропроцессоры этой линии имели внешние сопроцессоры, обозначающиеся Х86.

В нём для повышения производительности применено RISC ядро, а сам процессор является CISC процессором. В обозначениях микропроцессора появляются дополнительные элементы, в частности, буквы: SL, SX, DX, которые обозначают:

SL – пониженное потребление энергии. Это означало, что питание на те или иные блоки микропроцессора подаётся в те или иные промежутки времени, когда эти блоки включаются в работу.

SX – переходная модель микропроцессора, т.е. длина машинного слова оставалась неизменной от предыдущей модели.

DX – длина машинного слова данной модели увеличивается вдвое, по сравнению с предыдущей.

ММХ – multimedia extension – означало, что в данной модели реализована архитектура вычислительной машины класса SIMD (одна команда, много потоков данных).

В архитектуру этого класса было введено порядка 60-ти новых команд, необходимых для обработки аудио- видео- и телекоммуникационной информации.

Ведущие фирмы производителей компьютеров продолжали активные научные исследования с целью совершенствования выпускаемой продукции: переход на использование в микропроцессоре медных проводов, вместо алюминиевых, позволил увеличить степень интеграции микросхем, повысить тактовую частоту, снизить электропотребление, снизить рассеиваемую мощность, снизить стоимость.

Основные направления сегодняшних поисков:

1. Сокращение размеров

2. Дальнейшее повышение быстродействия и надёжности.

Микропроцессоры Pentium.

Микропроцессоры Pentium являются дальнейшим развитием семейства микропроцессоров архитектуры Х86. Семейство Pentium включает в себя высокопроизводительные процессоры Intel с тактовыми частотами от 60 МГц до 200 МГц и выше, которые позволяют применять разработанное программное обеспечение для более ранних моделей микропроцессоров.

Первые представители семейства Pentium (Р–5) имели частоты 60 МГц, 66 МГц, которые изготавливались по технологии БИКМОП с разрешением 0,8 мкм, питались напряжением 5В, содержали 3.100.000 транзисторов.

Второе поколение Pentium (Р–54) имело частоты от 75 МГц до 200 МГц, изготавливались по технологии БИКМОП с разрешением 0,6 мкм, питание – 3,3В, 3.300.000 транзисторов.

Начиная с Pentium, частотой 120 МГц, используется технология КМОП (комплиментарные с р и n – каналами) с разрешением 0,35 мкм, питание – 2,8В. В отличие от предыдущих микропроцессоров линии Х86 с соответствующей системой команд Х86, семейство Pentium имеет целый ряд технических новшеств: близкая к суперскалярной архитектура; раздельные КЭШ память и команды данных; предсказание переходов; высокопроизводительные операции с плавающей точкой; усовершенствованная шина данных – 64-хразрядная, ускоряющая обмен данными с памятью; средства обеспечения целостности данных; применение технологии энергосбережения и средств управления энергосбережением – SL – технология; поддержка многопроцессорности; мониторинг производительности; поддержка страниц памяти различных размеров.

Микропроцессоры Pentium ММХ.

В 1995 году корпорация Intel выдвинула концепцию естественной обработки сигналов, в соответствии с этой концепцией на микропроцессор возлагался ряд задач, которые ранее выполнялись специализированными устройствами. Это позволило упростить конструкцию компьютера.

К числу таких задач относится синтез звука (музыки), распознавание речи, обработка графической и видео- информации, выполнение коммуникационных функций (сети) и т.д.

Результатом воплощения этой концепции и стал, выпущенный в 1997 году, микропроцессор Pentium ММХ (Р–55С). Отличительной особенностью этого процессора стала система команд, расширенная дополнительными 57-ю командами для выполнения типичных мультимедийных алгоритмов: операции над векторами; преобразование Фурье; свёртка и др. Это было первое существенное изменение в системе команд микропроцессоров линии Х86 с 1985 года после выхода 220-тикомандного Intel 80386. Микропроцессор Pentium ММХ наследует и расширяет особенности архитектуры процессоров Intel:

• суперскалярное ядро процессора;

• динамическое предсказание переходов;

• конвейер вычислений в формате с плавающей точкой;

• раздельные КЭШ память данных и команд;

• расширенная – 64-хразрядная – шина данных;

• поддержка 2-хпроцессорной обработки.

В дополнение к перечисленному, новый микропроцессор обеспечивал: поддержку выполнения мультимедийного набора команд; удвоенные объёмы КЭШ памяти данных и команд – по 16 Кбайт каждый; улучшенную логику предсказаний переходов; расширенную конвейеризацию; более глубокую буферизацию записи. Pentium ММХ содержал 4.500.000 транзисторов, производился по технологии КМОП с разрешением 0,35 и 0,25 мкм, использовал два напряжения питания 2,8 В – питание ядра процессора и 3,3 В – интерфейсные схемы; рассеиваемая мощность составляла более 15 Вт. Частоты ядра составляли 166, 200, 233 МГц. При внешней частоте 66,3 МГц (шина) всё это позволило увеличить скорость выполнения мультимедийных приложений данного процессора на 60%, по сравнению с обычным Pentium-процессором на одинаковых частотах.

Процессоры Pentium для мобильных применений обладают пониженным энергопотреблением, что достигается дальнейшим снижением ядра микропроцессора до 2-х вольт. Тактовые частоты от 266 МГц и выше, технологии 0,25 мкм и ниже.

Для упрощения конструкции этих микропроцессоров и снижения потребляемой и рассеиваемой ими мощности из этих микропроцессоров изъяты средства поддержки 2-х процессорных систем. Эти микропроцессоры имеют более высокие допустимые рабочие температуры, что позволяет использовать их в тесных малоразмерных корпусах с плохой вентиляцией. Существуют варианты микропроцессоров для мобильных систем, выпускаемые в специальном корпусе, с питанием ядра 1,7 В.

Процессоры 6-го поколения фирмы Intel Р-6.

Начало 6-го поколения процессоров принято отсчитывать с выпуска процессора Pentium PRO 1995г., технологии 0,35 мкм, частоты от 150 МГц и выше, объём вторичной КЭШ памяти от 250 Кбайт до Мбайт и выше, раздельная КЭШ память первого уровня 8 + 8 Кбайт. Причём, КЭШ память второго уровня работает на частоте ядра. Эти процессоры могут работать в мультипроцессорных системах, содержащих до 4-х процессоров на одной шине, полностью поддерживают систему команд Х86.

При изготовлении процессора впервые была применена новая конструкция корпуса: процессор состоит из двух микросхем, помещённых в один керамический корпус.

Достижение повышенной производительности в Pentium PRO обеспечивается рядом архитектурных и технических новшеств: разнесённая архитектура; двойная, независимая шина; динамическое выполнение команд.

В основе технологии данного выполнения команд лежат такие, повышающие производительность методы, как исполнение команд с опережением; переупорядочение команд и предсказание переходов.

Двойная, независимая шина – новая архитектура КЭШ памяти. Использование разных шин для соединения процессорного ядра с КЭШ памятью и основным оперативным запоминающим устройством.

Причём, первая шина работает на тактовой частоте процессора, вторая – на частоте системной шины. Такое решение позволило ускорить обмен информацией процессора с памятью, в 3 раза.

К 6-му поколению процессоров Intel относят Pentium-II, Celeron, Pentium-III и Xeon.

Микропроцессор Pentium-II объединяет лучшие качества предыдущих моделей. Первые процессоры Pentium-II появились весной 1997 года. Технология 0,35 мкм; 7.500.000 транзисторов, только в процессорном ядре; технические частоты 300 МГц и выше; частота системной шины 66,6 МГц. Этот процессор представляет собой более быстрый процессор Pentium PRO с поддержкой MMX приложений, но урезанной поддержкой многопроцессорности. Можно объединить лишь пару таких процессоров.

Дальнейшее развитие процессоров Pentium-II шло в двух направлениях:

1. Снижение цены микропроцессора, что достигалось за счёт отказа от КЭШ памяти второго уровня при увеличении частоты работы ядра – получился облегчённый вариант Pentium-II, который назвали Celeron. Эти процессоры были ориентированы на использование в дешёвых "домашних" персональных компьютерах. Однако, отсутствие КЭШ памяти второго уровня существенно снизило производительность микропроцессора. Поэтому в последующих моделях микропроцессоров Celeron с переходом на технологию производства 0,25 мкм на кристалле микропроцессора удалось разместить небольшую КЭШ память второго уровня объёмом 128 Кбайт, что несколько повысило его производительность.

2. Направление развития Pentium-II Xeon. Это направление повышения частоты работы микропроцессора; увеличения объёмов КЭШ памяти и повышение частоты её работы до частоты ядра микропроцессора; поддержка мультимедийных конфигураций. Микропроцессоры направления Xeon позволяют строить одно-, двух-, четырёх- и даже восьми- процессорные системы. Они предназначены для работы в мощных профессиональных компьютерных рабочих станциях, сетевых серверах. Частота шины 100 МГц и выше, ядра – 450 МГц и выше, КЭШ память второго уровня работает на частоте ядра, её объём от 512 Кбайт до 2-х Мбайт, при этом кэшированием может охватываться всё адресное пространство при 36-тиразрядной адресации до 64 Гбайт.

В процессоре линии Xeon появились новые средства хранения системной информации, например, PIROM. Она хранит такие данные, как электронные спецификации ядра процессора и КЭШ памяти, диапазон частот, питающих напряжение, серийный 64-хразрядный № процессора. Процессор оборудован термодатчиком и программным устройством контроля температуры, таким образом можно запрограммировать пороги температуры, по достижении которых вырабатывается сигнал прерывания.

Микропроцессор Pentium- III.

Микропроцессор Pentium-III выпущен в начале 1999 года и унаследовал лучшие качества процессоров 6-го поколения: динамическое исполнение команд; технологию MMX; кроме того, в нём реализованы новые многопоточные расширения (SIMD). Для этого введено 70 новых команд, обеспечивающих лучшие возможности обработки изображений, трёхмерной графики, видео-, аудио-, информации, а также распознавание речи. Тактовые частоты от 450 МГц до 1,3 ГГц и выше, технология 0,25 мкм. Новые 70 SIMD команд этого процессора по результатам тестов, при частоте работы 500 МГц, дали более, чем на 93% превышения быстродействия Pentium-II с частотой работы 450 МГц при работе с трёхмерной графикой и на 42% при работе с приложениями мультимедиа.

На основе Pentium-III можно создавать масштабные 2-х процессорные системы с объёмом физической памяти до 64 Гбайт.

Микропроцессоры поколения Pentium-VII.

Эти микропроцессоры разрабатывались компанией Intel в содружестве с Hewlett Packard. Это 64-хразрядные процессоры, начало выпуска 2000 год, технология БИКМОП, с разрешением 0,18; 0,13; 0,09 и даже 0,07 мкм. Сами процессоры содержат единицы миллионов транзисторов на кристалле и десятки миллионов в КЭШ памяти второго уровня. Производительность превышает 1.000 MIPS (свыше триллиона). Микропроцессоры имеют аппаратную поддержку, системы команд архитектуры Х86. Отличительной особенностью их является работа с операционной системой Unix.

Системные платы новых процессоров содержат до трёх параллельных и до трёх последовательных портов. Тактовая частота превышает 1 ГГц, в заказных версиях могут достигать 3 ГГц.

Начиная с Pentium-II, микропроцессоры компании Intel имеют ядро в виде RISC процессора и аппаратный транслятор команд Х86 в RISC команды.

Крупнейшими производителями аналогов микропроцессоров архитектуры Х86 являются фирмы Cyrix и AMD.

Фирма Cyrix выпускает микропроцессоры по конструкции аналогичные Pentium, но превосходящие его по производительности. Например, микропроцессор с частотой 150 МГц (Cyrix) по производительности эквивалентен микропроцессору Pentium-200 МГц.

Фирма AMD, завоевавшая около 30% рынка в России, выпускает микропроцессор, соответствующий по архитектуре Pentium. Её микропроцессор К7 работал с тактовой частотой в 1 ГГц ещё до 2000 года.