Глава II. Функциональная и структурная организация процессора

1. Основные характеристики эвм и эволюция материнской платы фирмы Intel

В конце 1973 года фирма Intel выпустила микропроцессор 8080, который синхронизировался тактовой частотой 2 МГц. Он мог адресовать к 64 Кб ячейкам памяти и работать с 8-разрядной шиной данных. На его основе фирма IBM выпустила в 1975 г. первую персональную ЭВМ модели 5100, которая стоила 9000 дол., и поэтому была недоступна многим пользователям. В 1976 г. новая компания Apple Computer выпускает ЭВМ Apple I, а через год вторую модель стоимостью 1 600 дол., имевшую большой успех на рынке. В СССР был изготовлен аналог МП 8080 микропроцессор КР580 (ИС КР580ВМ80А, КР580ИК80А), на котором были построены первые отечественные персональные ЭВМ типа СМ-1800. Эти и другие ранние компьютеры использовали операционную системуCP/M. В 1981 г. фирма IBM выпустила на базе микропроцессора 8088 первую модель нового персонального компьютера РС с операционной системой MS-DOS фирмы Microsoft, которую прекратила выпускать в 1987 г. Микропроцессор Intel 8088 адресует к 1 Мб ячейкам памяти и является аналогом 8086 с той лишь разницей, что имеет 8-разрядную внешнюю шину данных. Тактовая частота микропроцессора 8088, равная 4.77 МГц, позволяет в два раза увеличить быстродействие РС по сравнению с моделями ЭВМ на кристалле 8080. Модель РС использовала до двух внешних накопителей на гибких магнитных дисках емкостью 360 Кб и 83-клавишную клавиатуру. Взаимодействие между блоками РС осуществлялось при помощи стандартной внешней шины ISA. Компьютеры с шиной ISA часто называют классическими персональными компьютерами семейства PC-XT [15]. На системной плате РС устанавливался микропроцессор 8088, сопроцессор 8087, ОЗУ динамического типа с временем доступа 200 нс и емкостью от 64 до 256 Кб с контролем на четность. Кроме того, на системной плате в ПЗУ "зашит" встроенный интерпретатор Бейсика, система ввода/вывода BIOS и программа самопроверки при включении POST.

В поздней модели РС IBM 5140, выпущенной в 1986 году, к системному блоку кроме жидкокристаллического (ЖК) дисплея (85 столбцов, 25 строк) или обычного телевизора можно было подключать через адаптеры MDA, CGA, монохромный или цветной дисплей. В ней также были предусмотрены для связи с внешними устройствами интерфейсы: асинхронный последовательный в стандарте RS-232C и параллельный для подключения принтера. Во всех моделях РС устанавливался блок питания мощностью 63.5 Вт с вентилятором. Мощность блока питания оказалась недостаточной для усовершенствования архитектуры РС. Она не позволяла комплектовать их жесткими дисками.

Разновидности архитектур и характеристики персональных компьютеров, использующих МП фирмы Intel, представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики ЭВМ

Архитектура	PC	XT	PS/2	AT
Процессор 80...	88	88	86	286, ..., 786
Сопроцессор 80...	87	87	87	287, 387, 487
Тактовая частота	4.77 МГц	4.77 МГц	8 МГц	10 ÷ 133 МГц
Емкость ОЗУ	256 Кб	640 Кб	640 Кб	1 ÷ 128 Мб
НГМД 5.25"	360 Кб	360 Кб	720 Кб	1,2 Мб
НГМД 3.5"	—	720 Кб	1.44 Мб	1,44 Мб
НЖМД	—	20 Мб	30 Мб	1 ÷ 40 Гб
Емкость ПЗУ	40 Кб	64 Кб	64 Кб	1 ÷ 8 Мб
Системная шина	ISA (1,8)	ISA (1,8)	ISA (1,16)	EISA, MCA, PCI, VL-bus
Видеомонитор	ЖК	MDA, СGA	EGA, VGA	SVGA, VGA
Порт	—	RS-232C	RS-232C, LPT1	RS-232C, LPT1
Число клавиш	83	101	101	101 (105)

В начале 1983 г. IBM выпускает на базе микропроцессора 8088 новую модель персонального компьютера XT, которая включала встроенный жесткий диск емкостью 10 Мб и стандартный последовательный интерфейс. Встроенный жесткий диск произвел революцию в технологии обработки информации на персональных ЭВМ. Это стало возможным благодаря новому блоку питания мощностью 130 Вт, охлаждаемому вентилятором. В дальнейшем новые модели XT комплектовались 101-клавишной клавиатурой, накопителем на жестком диске до 20 Мб, дисководами на 5.25" (360 Кб) и 3.5" (720 Кб), оперативным запоминающим устройством ОЗУ DRAM емкостью 256 и 640 Кб и постоянной памятью 64 Кб для хранения тестовых программ BIOS и POST. В моделях XT устанавливались НГМД с высотой в 2 раза меньше, чем в РС, что позволило XT комплектовать двумя дисководами на 5.25" и 3.5" и, даже не увеличивая объема корпуса, устанавливать до четырех различных накопителей. В СССР аналог XT выпускался на базе МП К1810ВМ86 с сопроцессором К1810ВМ87, ОЗУ до 1 Мб, двух НГМД по 360 Кб, НЖМД – 10 Мб, с дисплеем с разрешающей способностью 640  200 точек. С использованием К1810ВМ86 странами содружества выпускались ЭВМ "Агат 11", "Искра 1030", "ЕС 1840", "Нейтрон И9.66".

Дальнейшее производство персональных компьютеров связано с развитием технологии и изготовлением новых типов микропроцессоров, характеристики которых представлены в табл. 2.2. В середине 1960-х гг. председатель Intel (Gordon Moore), анализируя эту технологию, вывел принцип, или закон Мура, который остается верным уже больше трех десятилетий: мощность вычислений и сложность или, приблизительно, количество транзисторов в каждом чипе кремниевой интегрированной микросхемы процессора удваивается каждые два года, и стоимость каждого МП уменьшается вдвое. При этом размеры транзисторов уменьшаются примерно на 30 %, напряжение питания на 25 %, а быстродействие их увеличивается на 30 – 50 % (определяемое постоянной времениCV/I). Для уменьшенияRC-задержек элементов микросхемы используются технологии с меньшим сопротивлением R-проводников (медь вместо алюминия), а для снижения межпроводниковой емкости C – изолирующие материалы с меньшей диэлектрикической проницаемостью (Low-k-диэлектрики вместо SiO₂).

Вслед за МП 8088 широко начинает применяться в производстве ЭВМ изготовленный ранее его аналог МП 8086, отличающийся только 16-разрядной шиной данных. Процессор 8086 имеет 16-разрядные регистры и 16-разрядную внешнюю шину данных с 20‑разрядной адресацией, которая позволяет адресовать к 1 Мб ячейкам. Процессор 8088 такой же за исключением меньшей внешней шины данных – 8 бит. В эти процессоры вводится сегментация в “реальном режиме”; 16‑разрядные регистры могут действовать как указатели на адрес в сегментах размером до64 Kб. Четыре сегментных регистра содержат 20‑разрядный базовый адрес текущего активного сегмента, что позволяет без переключения между сегментами адресовать к ОЗУ или ПЗУ емкостью до 256 Кб. В середине 1987 года на базе микропроцессора Intel 8086 фирма IBM представила новый персональный компьютер IBM 8525 (модель 25) семейства PS/2. Микропроцессор с 16-разрядной шиной данных и тактовой рабочей частотой 8 МГц позволил уменьшить размеры компьютера на 40 % и увеличить быстродействие более чем в 2 раза по сравнению с моделями PC и XT. Система PS/2 использовала стандартное RAM на 512 Кб, расширяемое до 640 Кб. В 1988 году IBM выпускает новую разработку PS/2 (модель 30) на базе более быстродействующего микропроцессора 80286 с тактовой частотой 10 МГц с 1 состоянием ожидания при обращении к RAM. В составе модели 30 используются дисководы для гибких дисков размером 3.5" с высокой плотностью записи емкостью 1.44 Мб и жестким диском емкостью 20 Мб, последовательный порт RS-232C, параллельный порт LPT1 с односторонней передачей 8-разрядных данных.

В массовом производстве компьютеров PS/2 использовались роботы. Поэтому ЭВМ семейства 2 (PS/2) изготавливаются из деталей, точно подогнанных друг к другу, с наименьшим количеством крепежных и множеством идентичных узлов. Для дисплеев PS/2 фирма IBM выпустила интегрированный видеоадаптер, который чаще называют платой VGA. Для обмена с дисплеем в ПЗУ включен набор микропрограмм VGA BIOS, предназначенных для управления схемами платы VGA, благодаря чему она может работать с любой программой для MDA, CGA и улучшенного графического адаптера EGA.

В качестве аналога первых PS/2 производителями единой системы выпускались персональные компьютеры ЕС 1841, ЕС 1842 на базе МП 1810ВМ86М с сопроцессором К1810ВМ87, ОЗУ до 1 Мб, двумя НГМД на 5.25" по 720 Кб, одним НЖМД на 20 Мб и одноцветным дисплеем с разрешением 640  350 точек.

Таблица 2.2

Характеристики МП и процессоров фирмы Intel

МП	MIPS	Такт. част., МГц	Uп, В	Разрядность, бит			Адр. память	Внут. КЭШ, /…Кб	Год вып.	Число транз., тыс
				RG	ШД	ША
88	—	4.77	5	16	8	20	1 Мб	—	79	29
86	0.8	8	5	16	16	20	1 Мб	—	78	29
286	2.7	16	5	16	16	24	16 Мб	—	82	134
386DX	6.0	25	5	32	32	32	4 Гб	—	85	275
486DX2	20	40	5	32	32	32	4 Гб	L1/8	92	1100
Pentium	100	66.6	3.3	32	64	32	4 Гб	L1/82	93	3300
P - Pro	440	663	3.3	32	64	36	64 Гб	L1/82	95	5500
P - II	466	664	3.3	32/64	64	36	64 Гб	L1/162	97	7500
P - III	1000	500	2	32/64 /128	64	36	64 Гб	L1/162L2/256	99	9500
P– 4	—	4003.5	1.7	32/64 /128	64	36	64 Гб	L1/- 8L2/256	00	42000

В 1986 г. на базе МП Intel 80286 IBM изготавливает в корпусе XT по новейшей технологии с использованием 16-разрядной шины ISA компьютер AT XT- 286. В процессоре Intel 80286 вводится «защищенный режим». Этот новый режим используют для размещения данных и команд в различные сегменты, а содержимое сегментных регистров – как селекторы или указатели адреса дескриптора. Дескриптор хранит 24-битный базовый адрес, позволяющий адресовать до 16 Mб физической памяти, поддерживает виртуальное управление памятью и различные механизмы защиты. Это проверка границы сегмента, опции сегментов только для чтения и только для записи и четыре уровня привилегий для защиты кода операционной системы от приложений или программ пользователя. Более того, переключение задач и локальная таблица дескрипторов позволяет операционной системе защитить приложения или программы пользователя друг от друга.

После модели ATPC-XT286 фирмаIBMпрекращает выпускXTи все её компьютеры с системными шинамиMCA,PCI,VL-busотносятся к одной из групп классаAT, семействаPS/2. Производительность компьютераXT-286 примерно в 3 раза выше моделейXT. ОЗУ емкостью 640 Кб доводилось до 16 Мб установкой плат расширения. В нем установлен НЖМД на 20 Мб и один из накопителей НГМД формата на 3.5"или 5.25"емкостью от 720 Кб до 1.44 Мб. КромеDOSвсеATмогут работать с операционной системойWindows.

В начале 1987 г. на базе МП 386DXфирмаIBMвыпустила компьютерPS/2 модели 80 с тактовой частотой 20 МГц, который стал настоящей сенсацией из-за высокой производительности вычислений. Помимо высокого быстродействия достоинством МП 386 является возможность работать в реальном, защищенном и виртуальном режимах. Реальный режим, как и для 286-го процессора, это базовый режим совместимости с 8086. Компьютер в этом режиме ("TurboPC") быстрее осуществляет вычисления с ОЗУ 640 Кб и программами дляDOS. В архитектуру процессоров Intel, начиная с 80386, для вычислений и адресации памяти вводятся 32-разрядные регистры (архитектура IA-32) общего назначения (GP), подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Часть каждого 32‑разрядного регистра для обеспечения совместимости имеет значение одного 16-разрядного регистра предыдущих двух поколений процессоров. Был введен новый «виртуальный режим» 8086 для повышения быстродействия выполнения программ на новой 32-разрядной машине, созданный ранее для процессоров 8086 и 8088. 32-разрядная адресация позволяет адресовать к 4 Гб адресного пространства, и также увеличить размер каждого сегмента до 4 Гб. Первоначальные инструкции х86 были расширены новыми инструкциями с 32‑разрядными операндами и формой адресации. В процессоре Intel 386 также вводится метод для управления виртуальной памятью и страничная организация памяти, с фиксированным размером страницы 4 Kб, и возможность определения сегментов размером в 4 Гб. Процессор Intel 386 был первым архитектуры IA-32, в который включили 6 параллельно работающих блоков:

- шинный интерфейс (доступ к памяти и устройствам ввода/вывода других блоков);

- блок предварительной выборки кода (получает объектный код из шинного интерфейса и помещает его в 16‑байтную очередь);

- блок декодирования инструкций (декодирует объектный код из блока предварительной выборки в микрокод);

- блок выполнения (выполняет инструкции микрокода);

- сегментный блок (переводит логические адреса в линейные адреса и выполняет проверку защиты);

- блок страничного преобразования (переводит линейные адреса в физические, выполняет проверку страничной защиты и содержит кэш с информацией о32 наиболее часто используемых страницах).

Защищенный режим МП 386, который аналогичен МП 286, называется "естественным", т.к. оба МП разрабатывались дляOS/2 иWindowsNT, предназначенных для работы в этом режиме. Дополнительные возможности адресации памяти в защищенном режиме появились благодаря новому менеджеру памяти (MMU), который использует страничную организацию памяти и программные переключения. В новом виртуальном режиме МП 386 имитирует работу МП 8086. При этом создается несколько независимых областей (отсеков) памяти с полным набором функциональных возможностейDOS. Такие отсеки, которые называются"виртуальными машинами", позволяют организовать многозадачные вычисления с использованиемOS/2 иWindows. Было разработано несколько типов персональных компьютеров с модификациями МП 386 –SX,SL,DX, работающих с таковыми частотами 16, 20, 25, 33 МГц и сопроцессором 80387, который устанавливался отдельно от МП на системной плате и выполнял операции с плавающей запятой параллельно процессору ЭВМ.

Следующим шагом в разработке компьютеров явилось использование в их составе МП 486 следующих разновидностей:

- 486 SXбез сопроцессора;

- 486 DXсо встроенным сопроцессором;

- 486 DX2 с удвоением внутренней частоты вычислений и сопроцессором;

- 486 DX4 с утроенным быстродействием и сопроцессором.

Тактовая частота первого МП 486 составляла 25 МГц, которая в более поздних МП увеличилась до 33, 50, 66 МГц. Структура процессора 486 подробно рассматривается ниже.

В процессор Intel 486 добавлена возможность одновременного выполнения до пяти инструкций на разных стадиях с помощью расширения блока декодирования инструкций и операционного блока выполнения в пять конвейерных стадий, где каждая стадия работает параллельно с другими. Каждая стадия может выполнить свою работу над одной инструкцией за один такт. Также к процессору Intel 486 был добавлен кэш L1 8 Кб для увеличения числа инструкций, которые могут быть выполнены за один такт. В процессоре Intel 486 впервые в CPU было интегрировано устройство с плавающей запятой (FPU) и добавлены новые инструкции для поддержки кэша L2 и мультипроцессорности. Позже в процессор Intel 486 SL были введены функции поддержки энергосбережения и системного управления для ноутбуков PC, работающих от батарей.

В процессор Intel Pentium для достижения суперскалярной производительности была добавлена вторая линия конвейерной обработки (2 линии конвейера, известные как U и V, которые вместе могут выполнять две инструкции за один такт). Также был удвоен кэш L1, 8 Кб для кода и другие 8 Кб для данных. Для увеличения производительности в циклах программы было добавлено прогнозирование ветвлений. Основные регистры остались 32-битные, но добавилась внутренняя шина данных 128 и 256 бит, для увеличения скорости внутренней передачи данных, и внешняя шина данных была увеличена до 64 бит. Был добавлен дополнительный программируемый контроллер прерываний APIC для поддержки систем с несколькими процессорами Pentium.

Следующей разработкой Intel был процессор Pentium Pro, который имеет трехходовую суперскалярную архитектуру, это значит, что процессор может выполнять 3 инструкции за каждый такт. В суперскалярной реализации процессора Pentium Pro предусматривается «динамическое выполнение» (анализ потоков микрокодов, нестандартное выполнение, улучшенное прогнозирование ветвлений и прогностическое выполнение). Три устройства декодирования инструкций работают параллельно, декодируя объектный код в более малые операции, называемые “микрокодом”. Они попадают в накопитель инструкций, который при отсутствии взаимосвязи может быть реализован пятью параллельными блоками выполнения (2 АЛУ, 2 FPU и 1 блок для работы с памятью). Блок сброса изымает выполненный микрокод в порядке расположения в программе, учитывая все ветвления. Мощность процессора Pentium Pro дополнительно расширена кэшем L2 до 256 Кб, который находится в корпусе МП и использует выделенную 64-разрядную шину. Кэш L1 в нем двухпортовый, кэш L2 поддерживает до 4 параллельных обращений. Также в процессоре Pentium Pro шина адреса увеличена до 36 бит, что позволяет адресовать до 64 Гб ячейкам физического адресного пространства.

В процессоре Pentium II к архитектуре процессора Pentium Pro добавлены команды MMX. Для процессора Pentium II вводится новая спецификация установки в материнскую плату: слот 1 и слот 2. В этой новой спецификации кэш L2 выносится из кристалла МП. В процессоре Pentium II увеличен кэш данных L1 и кэш инструкций L1 до 16 Кб каждый, а размер кэша L2 может быть 256, 512 Кб и 1 или 2 Мб (только для слота 2). Процессоры слота 1 используют для кэша L2 “половинную тактовую частоту” шины, а процессоры слота 2 работают на частоте процессорной шины.

Процессор Pentium III является последним, базирующимся на архитектуре Р6. В 10-стадийный процессор Pentium III введены 70 новых инструкций. Процессор Pentium III внес в архитектуру IA-32 расширения SSE. В результате стали доступны новые 128-разрядные регистры и SIMD операции над упакованными операндами с плавающей запятой с одинарной точностью.

Процессор Pentium 4 изготовлен с использованием 20-стадийного конвейера, позволяющего использовать более высокие частоты синхронизации и архитектуру NetBurst. Его ядро создано на основе 32-битной микроархитектуры IA-32, обеспечивающей программную совместимость х86, но в нем реализованы 128-битные регистры для параллельной обработки операций над числами, представленными в формате с плавающей запятой.

Функциональная схема ЭВМ на базе процессоров Pentium рассматривается в гл. V. В разработках ЭВМ используются видеоплаты SVGA различных фирм с общим стандартным интерфейсом VESA ассоциации производителей. Достоинством стандарта VESA BIOS является то, что для работы с SVGA различных фирм программист может пользоваться одним единственным драйвером, который обеспечивает почти все существующие на сегодняшний день разрешающие способности и цветовые возможности дисплеев, вплоть до разрешения 1280  1024 точек при 16777216 (24-разрядное представление) цветов. Особенностью изготовления персональных компьютеров на базе МП 486, Pentium является возможность расширения и использования в их составе устройств, изготовленных в различных фирмах и странах. Совместимость обеспечивается соблюдением как стандартов ассоциации производителей, так и "подстройкой" BIOS под эти устройства.