Многокристальные секционные мп

Первые многокристальные секционные МП появились в 1974г. Такие МП имеют модульную конструкцию и каждый модуль выполняет определенную функцию. Операционные устройства в таких МП состоят из отдельных секций процессорных элементов, которые могут быть 2х, 4х, 8 и 16-разрядными. Такие МП почти всегда с микропрограммным управлением, и в них можно изменять и разрядность, и систему команд.

Появление таких МП позволило разрабатывать ЭВМ с максимальным соответствием ее структуры характеру решаемых задач. На базе таких МП обычно разрабатывают специализированные МКЭВМ, в которых для МП требуется произвольная, чаще нестандартная разрядность. Типичный многокристальный секционный МП обычно состоит из 2х модулей:

А) модуля МПУУ (микропрограммного устройства управления)

Б) модуля ОУ (операционного устройства)

Операционное устройство (ОУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Оно собирается из процессорных элементов, каждый их которых содержит ДШМО, РОН, АЛУ, РА, РАд, блок регистров адреса и данных. Секции процессорных элементов работают параллельно, и длина их может произвольно наращиваться. Одной из особенностей таких секций является их вертикальное построение вместо горизонтального, что значительно повышает надежность таких устройств, т.к. требуется меньшее число передач колов между отдельными микросхемами. Основное различие структур операционных устройств - степень параллелизма выполнения в них операций и микроопераций. Информация параллельно или последовательно может преобразовываться на различных уровнях. Возможно одновременное выполнение всех микроопераций над всеми аргументами по всем их форматам, с одновременной реализацией переносов между разрядами.

Для этого используется структура операционного устройства с применением многосекционного преобразователя, параллельного по разрядам действия с

вусторонней управляемой связью, подключенной к числовым магистралям. Отдельные секции объединяются в ОУ по управляющим сигналам, т.е. объединяются последовательно входы и выходы цепей переноса, левого и правого сдвигов цепей отдельных секций. Шины данных, адреса и кода операции объединяются параллельно в общую магистраль. По шине данных в секцию передайся информация (операнды) из памяти и периферийных устройств ввода информации. Из секции результаты выдаются по выходной шине данных, а шина адреса используется для передачи адреса в память или периферийные устройства.

Кроме представленных на рисунках 1 и 2 блоков для построения МП необходим также регистр команд (РК), программный счетчик (СТК) и некоторые другие устройства.

Однокристальные МП

Серии Х86 фирмы Intel

МП 8086

Был выпущен в 1978г., содержал 29 тыс. транзисторов, выполнен по N-МОП технологии с толщиной кристалла 3 мкн, имеет 40-контактный корпус с одним источником питания +5В. Стандартная тактовая частота 5МГц (4,77)

Шина данных, внутренние регистры, и системная шина - 16-разрядные. Шина адреса - 20-разрядная, что позволяет адресовать память емкостью в 1 Мб (220). Каждая команда в таком МП выполняется за 12 машинных тактов. Этот МП может выполнять 113 базовых команд, обрабатывать 8-ми и 16-разрядные операнды.

МП 8086 прямо адресует 256 портов ввода и 256 портов вывода информации. Функционально этот МП состоит из двух автономных устройств, которые работают асинхронно.

Это операционное устройство (устройство обработки) и шинный интерфейс (устройство сопряжения с магистралью). Функциональная схема МП 8086

РОК - регистр очереди команд

УШ - устройство управления шинами

УС - устройство сопряжения

УС обеспечивает формирование 20-разрядного физического адреса памяти, выборку команд и операндов из памяти, организацию очередности команд и запо­минание результатов выполнения команд в памяти. В его состав входит 6 8-ми разрядных регистров РОК, 4 16-разрядных сегментных регистра, (CS, DS, SS, ЕS), 16-разрядный сумматор адреса, 16-разрядный регистр команд, (IP), 16-разрядный регистр обмена и устройство управления шиной. Устройство сопряжения готово выполнить цикл выборки из памяти каждый раз, когда в очереди команд освободится по меньшей мере 2 байта. Устройство обработки извлекает из РОК коды команд по мере необходимости. Очередь команд организована по принципу FIFO (первый пришел - первый вышел). 6 уровней РОК позволяют достаточно эффективно удовлетворить запросы устройства обработки, сокращая тем самым до минимума затраты времени МП на ожидание выборки команд из памяти. Выполнение команд происходит в логической последовательности, предписанной программой. В случае изменения хода выполнения программы УС очищает РОК, выбирает команду перехода, передает ее в устройство обработки и начинает новое заполнение РОК. При возврате их подпрограммы или из прерывания происходит восстановление очереди команд. Если МП необходимо выполнить цикл записи или чтения, то выборка команд на время выполнения этого цикла приостанавливается. В состав МП 8086 входят 4 сегментных регистра CS, DS, ES, SS. В каждом из этих регистров хранятся 16 старших разрядов кода адреса соответствующего сегмента памяти. 20-ти разрядный физический адрес, который позволяет работать с памятью в 1 Мб образуется в сумматоре адреса путем сдвига базового адреса сегмента на 4 разряда влево и сложения его с 16-разрядным адресом смещения. Этот МП выполняет 113 базовых команд, манипулирует с одним или с двумя операндами, а результат замещает один из операндов (чаще любой). Однопрограммный режим работы в пространстве памяти емкостью в 1 Мб назван реальным режимом работы и присутствует или эмулируется во всех последующих поколениях МП.

Т.к. МП 8086 в тот период времени были довольно дорогими и выходная (системная) шина была 16-разрядной, то такие МП не пользовались высоким спросом. В связи с этим в 1979 году фирмой Intel был выпущен МП 8088, который имел те же технические данные, что и 8086, но внешняя (системная) шина была 8-разрядная.

Именно этот МП (8088) Intel выбрала в 1981 году для выпуска своего первого PC. Он выполнял то же самое программное обеспечение, только немного медленней.

Одной из особенностей МП 8086, 8088 является применение в них (впервые) механизма сегментации памяти.

МП 286

МП 286 относится ко 2-му поколению 16-разрязрядных МП, появился он в 1981 году, и на его основе был создан компьютер класса AT (IBM). Этот МП содержит 134 тыс. транзисторов. В нем шина данных - 16 разрядов, системная шина и все внутренние регистры 16-разрядные. Шина адреса - 24-разрядная. Это значит, что максимальная емкость адресуемой памяти 16 Мб. Емкость виртуальной памяти до 1Гб. Питающее напряжение +5В. Число уровней защиты 4. Тактовая частота в первых МП 286-6 МГц, затем ее повысили до 8 МГц и ее назвали стандартной для этого типа МП. Производители клонов МП повысили тактовую частоту до 10; 12,5; 16; и 20 МГц. Производительность такого МП на тактовой частоте в 6 МГц в 5-6 раз больше, чем 8086, работающего на той же тактовой частоте. Каждая команда в МП 286 выполняется за 4,5 машинных такта. Основными режимами работы такого МП являются два режима: реальный и защищенный. Этот МП содержит 4 основных блока:

- блок шины;

- блок адресов;

- блок команд;

- исполнительный блок.

Аппаратура МП обеспечивает эффективную, гибкую защиту памяти, контролирует доступ к ресурсам ОС, и имеет малое время реакции на прерывание. В МП 286 используется конвейерный принцип выполнения команд. Аппаратура МП обеспечивает эффективную, гибкую защиту памяти, контролирует доступ к ресурсам ОС, и имеет малое время реакции на прерывание. В МП 286 используется конвейерный принцип выполнения команд. Все блоки МП работают одновременно, совмещая циклы обращения к памяти, вычисления адресов и контроля защиты, декодирования и выполнения команд. Блок шины передает информацию из своей очереди в устройство команд со скоростью 1 байт на цикл тактовой частоты.

Блоки команд декодируют и преобразуют формат полных команд и помещают их в очередь команд, ожидающих их выполнение.

Исполнительный блок содержит рабочие регистры, АЛУ и микропрограммные устройства управления, которое определяет последовательность внутренних микрокоманд.

Когда текущая команда близка к завершению, ПЗУ генерирует сигнал, по которому исполнительный блок принимает следующий адрес ПЗУ из очереди команд. Такой способ позволяет обеспечить постоянную занятость исполнительного блока.

В этом МП используется 4х-уровневый механизм защиты памяти, которые можно представить в виде 4х концентрических колец.

Наивысший приоритет имеет нулевой уровень, на котором расположены средства ОС. Он является недоступным для других программ.

Прикладные задачи размещаются на 3-ем внешнем уровне. В большинстве МП два внутренних уровня практически не используются. Основным механизмом защиты является управляемый доступ к памяти, при котором каждой задаче предоставляется доступ к двум областям виртуальной памяти: одной - общей, а другой - частной. В соответствии с содержимым - глобальной и локальной дескрипторных таблиц.

В глобальной таблице перечисляются все сегменты, к которым могут обращаться все системные задачи лишь с учетом ограничений по уровням привилегированности, а в локальной таблице указываются сегменты, которые предоставляются только одной данной задаче.

Т.к. в каждую задачу локальная таблица входит как часть описания ее состояния, то ЭВМ, работающая в микропрограммном режиме, будет содержать много локальных дескрипторных таблиц.

Дескриптор для каждого сегмента содержит его базовый адрес, размер сегмента и поле прав доступа. Сегмент в МП 286 - это часть диапазона виртуальных адресов, длина которых может изменяться от 1 б до 64кб. Виртуальный адрес состоит из селектора и смещения. Селектор - это индекс таблицы дескрипторов, хранящийся во внешней основной памяти. Смещение - это расстояние до нужного байта данных в указанном сегменте. Регистр признаков в МП 286 аналогичен регистру флагов 8086, хотя имеет дополнительный признак вложенности двухразрядный признак уровня привилегированности ввода-вывода.

Виртуальная память МП 286 представляет собой единое поле памяти для пользователя, которое включает емкость ОЗУ и жесткого диска. Процессор МП 286 может работать в двух режимах, существенно отличающихся друг от друга: реальном и защищенном. В реальном режиме МП 286 эквивалентен 8086 и программно совместим с ним.

Это означает, что он может выполнять разработанные для 8086 (8088) программы и системные команды без всяких модификаций.

Реальный режим - это однопрограммный режим работы в пространстве памяти емкостью в 1 Мб.

Защищенный режим — это многопрограммный режим, при котором выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи своих областей памяти. В защищенном режиме, т.е. многопрограммном, МП доступна виртуальная память до 1Гб.

При своей работе процессор может адресовать только до 16 Мб основной памяти, и, если требуется память большая, чем есть в вычислительной системе, то используется режим свопирования (подкачки информации), это означает, что часть данных основной памяти процессор переписывает на жесткий диск, освобождая тем самым основную память для выполняемой программы, а те данные, которые б ближайшее время будут необходимы для работы МП, перебрасываются с жесткого диска в пространство основной памяти. Режим свопирования «прозрачен» для пользователя и выполняемой программы. Распределением виртуальной памяти управляет ОС и встроенные узлы МП. Одним из существенных недостатков МП 286 является то, что из реального режима работы в защищенный он может переходить автоматически, а из для перехода из защищенного режима в реальный требует горячей перезагрузки, т.е. сброса всей системы. Этот недостаток устранен в МП 386.

МП 386DX

Этот первый полностью 32-разрядный МП был выпущен в 1985г. Пик его популярности 1991. Такой МП содержит 275 тыс. транзисторов. Изготовлен по технологии 1 микрон. В нем ШД, ША, СШ и все внутренние регистры - 32-разрядные.

Максимальная емкость адресуемой памяти - 4 Гб, пространство адресуемой

виртуальной памяти — 64 Тб. Число уровней защиты - 4.

Режимы работы: реальный, защищенный и виртуальный (виртуальный режим 86).

Количество тактов, затрачиваемых на выполнение каждой команды в среднем равно Д,5 (такое же, как в МП 286).

В реальном режиме он выполняет команды 86/88 в более короткое время. Этот МП автоматически переключается из реального режима в защищенный и обратно. В защищенном режиме МП 386 полностью совместим с защищенным режимом МП 286. Дополнение лишь то, что в МП 386 в защищенном режиме появляется новый диспетчер памяти MMU (memory management unit), за счет чего было достигнуто значительное повышение реальной производительности. С помощью этого диспетчера была организована страничная организация памяти. Нововведением в процессоре МПЗ 86 является виртуальный режим, в котором имитируется работа МП8086, т.е. одновременно могут работать несколько операционных систем и экземпляров DOS, используя для этого защищенные области памяти.

В МП 386 впервые появилась внешняя быстродействующая Кэш-память, которая используется наиболее эффективно в случае многократного обращения к одним и тем же данным. Этот внешний КЭШ обычно имеет небольшую емкость -от 64 Кб до 256Кб.

Микропроцессор 386 выполнен по КМОП-технологии (технология с малым энергопотреблением).

Микропроцессор 386 состоит из 6 блоков, которые реализуют управление выполнением команд, сегментацию, страничную организацию памяти, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти блоки работают в виде конвейера, при чем каждый из них может выполнять свою конкретную функцию параллельно с другими. Это означает, что во время выполнения одной команды производится декодирование другой, а третья выбирается из памяти. В исполнительном блоке дополнительным средством повышения производительности микропроцессора служит специальный блок быстрого умножения и деления.

Блок страничной организации содержит блоки сегментации и страничной организации памяти. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных и эффективное распределение памяти между задачами. Страничный механизм организации памяти позволяет управлять физическим адресным пространством. Он работает на более низком уровне чем сегментный механизм и "прозрачен" для сегментации.

Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц. Память в микропроцессоре 386 организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гб. Каждая область адресного пространства памяти имеет связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип и характеристики защиты.

Защищенный режим микропроцессора 386 также полностью совместим с микропроцессором 286, но нужно помнить о том, что микропроцессор 386 обрабатывает не 16, а 32 разрядные операнды, поэтому программы выполняются намного быстрее. Виртуальный режим имитирует работу микропроцессора 8086, при этом несколько экземпляров DOS или других ОС могут работать одновременно, используя для этого защищенные области памяти. Сбой или зависание какой-либо одной программы не влияет на работу всей вычислительной системы. Регистр очереди команд в микропроцессоре 386 состоит не из 6 однобайтных регистров, а из 16.