Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Л03_Микропроцессоры и системные платы,31.docx
Скачиваний:
36
Добавлен:
13.11.2019
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Лекции 3

Микропроцессоры и системные платы

Содержание

1. Микропроцессоры

1.1. Микропроцессоры типа CISC

1.2. Микропроцессоры типа RISC

1.3. Микропроцессоры типа VLIW

1.4. Физическая и функциональная структура МП

2. Системные платы (основные сведения)

Наиболее важными компонентами ПК, обусловливающими его характеристики, являются ● микропроцессоры, ● системные платы и ● интерфейсы.

1. Микропроцессоры

Микропроцессор (МП), или central processing unit (CPU) — функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

  • вычисление адресов команд и операндов;

  • выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

  • выборку данных из оперативной памяти (ОП), регистров микропроцессорной памяти (МПП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);

  • прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

  • обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и адаптеров ВУ;

  • выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

  • переход к следующей команде.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

        • разрядность;

        • рабочая тактовая частота;

        • размер кэш-памяти;

        • состав инструкций;

        • конструктив, рабочее напряжение и т.д.

►Разрядность шины данных микропроцессора (МП) определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции.

►Разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

● Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

►Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, ибо каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины материнской платы, с которой работает МП.

►Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет 3-4 уровня:

  • L1 - память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые L1 был введен в МП 486 и 386SLC);

  • L2 - память 2-го уровня - размещена на плате МП и связана с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II).

Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

►Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит даже классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIM).

Перечень и вид команд определяют те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут выполняться эти процедуры.

Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.).

Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП 386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

►Конструктив определяет те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (например, Slot — это щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо). При этом имеется разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочие напряжения.

►Рабочее напряжение также определяет пригодность материнской платы для установки МП.

Основные этапы развития архитектуры универсальных МП

►Первый МП I-4004 был разработан фирмой Intel в 1971 г. Он имел 4-х разрядную структуру и был ориентирован на использование в калькуляторах. Впоследствии был выпущен еще один 4-х разрядный МП - I-4040.

►В 1972 г. появился 8-разрядный МП I-8008, а 1974 г. - I-8080.

Этот МП сыграл значительную роль в развитии техники и заложил основы архитектуры для всех последующих поколений МП.

Он имел раздельные 8-разрядную шину данных и 16-ти разрядную шину адреса, возможность подключения памяти до 64 Кбайт и до 256 внешних устройств. Он содержал 16-ти разрядные указатель команд IP (Instruction Pointer) и указатель стека SP (Stack Pointer ), шесть 8-ми разрядных регистров общего назначения (РОН), которые могли использоваться как три 16-разрядные. Система команд состояла из 78 базовых команд.

При загрузке операнда из памяти применяется прямая, косвенная регистровая или стековая адресация.

►Очередным крупным шагом в развитии МП техники стало появление в 1978 г. 16-ти разрядных универсальных МП I-8086. Эти МП заложили основы архитектуры x86 и использовались при производстве первых ПК.

Основными отличительными чертами в архитектуре этого МП стали:

  • увеличение разрядности регистров общего назначения до 16 бит;

  • увеличение количества регистров общего назначения до 8;

  • увеличение количества режимов адресации операндов;

  • расширение количества флагов в регистре признаков;

  • появление сегментного механизма обращения к памяти, который обеспечил возможность обращения к памяти емкостью до 1 Мбайт.

►Появившийся в 1982 г. МП i286 явился переходной ступенью к 32-разрядным универсальным МП. В нем было реализовано два режима работы - защищенный и реальный.

● В реальном режиме работы МП полностью совместим с выпускавшимися ранее 16-разрядными МП с архитектурой x86. В формировании адреса участвовали только 20 линий, поэтому максимальная емкость адресуемой памяти в этом режиме прежняя - 1 Мбайт.

● В защищенном режиме процессор мог адресовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Шина адреса увеличена до 24 бит, поэтому емкость адресуемой памяти составляла 16 Мбайт.

Для выполнения операций над числами с плавающей точкой была разработана отдельная БИС - математический сопроцессор 80287.

►В 1985 г. был выпущен 32-разрядный универсальный МП i386 - первый полноценный представитель архитектуры IA-32 (Intel Architecture-32). Развитие продолжалось вплоть до МП Pentium 4.

Главным внешним отличием является увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора.

Большие качественные изменения произошли на уровне работы МП в защищенном режиме, который был существенно развит.

Отметим основные черты этого режима.

  1. Принципиально меняется механизм формирования физического адреса.

  2. Организуется аппаратная поддержка мультипрограммного режима работы.

  3. Для обеспечения защиты информации и упрощения организации мультипрограммного режима работы МП снабжается специальными механизмами.

===============================================

За время, прошедшее после появления первого 32-разрядного МП, только фирмой Intel было выпущено несколько десятков модификаций таких МП.

Основные этапы развития этой архитектуры, которые носят принципиальный характер, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Этапы развития архитектуры IA-32

Модель

Год начала выпу-ска

Число транзисто-ров на кристалле

Максимальная тактовая частота, МГц

Схема обработки данных

Наличие кэш-памяти на кристале

Регистры

Количество команд в системе команд

Количество конвейеров/

ступеней конвейера

i386

1985

275 тыс.

40

SISD, ФТ

нет

32 разрядные с ФТ

220

-

i486

1989

1,2 млн.

100

SISD, ФТ,

ПТ(FPU)

да

--- // ---

+80-разрядные с ПТ

--- // ---

-

Pentium

1993

3,1 млн.

200

--- // ---

--- // ---

--- // ---

--- // ---

2/5

Pentium MMX

1997

4,5 млн.

233

--- // ---

+SIMD, ФПБ

--- // ---

--- // ---

+ 57

4/14

Pentium III

1999

9,5 млн. (28,1 млн.)

1400

--- // ---

+SIMD, П3

--- // ---

+кэш L2

--- // ---

+128-разрядные SSE

+70

5/11

Pentium 4

2000

42 млн.

3800

--- // ---

--- // ---

--- // ---

+144

9/31

Далее вкратце остановимся на их рассмотрении.

Пояснения к таблице

► Основные нововведения МП i486 (1989 г.) связаны с технологическими возможностями.

Это размещение непосредственно на кристалле БИС двух важных блоков, которые раньше выполнялись в виде отдельных микросхем: ◙ кэш-памяти и ◙ блока процессора обработки чисел с плавающей точкой (floating point unit - FPU):

- Кэш-память имела объем 8 Кбайт и предназначалась для хранения программ и данных.

- FPU имел внутренний файл из восьми 80-разрядных регистров, свой регистр состояния и управления.

► Главной отличительной чертой нового 32-разрядного МП - Pentium - явилась возможность конвейерной обработки информации благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных. Появление конвейера потребовало необходимость введения схемы предсказания переходов.

Все последующие модификации МП связаны с улучшением ее работы.

► Нововведением МП Pentium MMX (1997 г.) стал блок обработки целочисленной информации - SIMD (Single Instruction - Multiple Data: одна команда - множество данных). Его введение позволило обрабатывать одновременно несколько операндов с использованием одной команды, что существенно подняло производительность МП на задачах, где над большими массивами однородной информации выполнялись одинаковые операции, например, в мультимедийных приложениях. В систему команд ввели 57 новых инструкций, но регистровая структура МП не изменилась.

► МП Pentium III (1999 г.) позволил обрабатывать по схеме SIMD не только целочисленные операнды, но и числа с плавающей точкой. Для этого система команд была расширена на 70 инструкций, а в структуре МП появился специальный блок SSE, содержащий в отдельный регистровый файл из восьми 128-разрядных регистров. Новинкой было размещение на кристалле кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте ядра.

► МП Pentium 4 завершает линейку 32-разрядных МП. Основным вкладом этого МП стало еще большее увеличение глубины конвейера - до 31 стадии, что позволило сильно нарастить частоту процессора. Количество конвейеров возросло до 9. Добавили еще 144 команды SSE2, затем и SSE3, ориентированные в первую очередь на работу с потоковыми данными.

► В 2001 г. фирмой Intel был выпущен микропроцессор Itanium, положивший начало новой 64-разрядной архитектуре - IA-64, которая сменила архитектуру 32-разрядных МП IA-32, господствовавшую на протяжении более 15 лет.

Рис. Отличия архитектуры IA-64 от x86

В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных МП, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирм Intel, AMD и им подобные.

Современные микропроцессоры можно разделить на группы:

  • МП типа CISC (Complex Instruction Set Command) - с полным набором системы команд.

  • МП типа RISC (Redused Instruction Set Command) - с усеченным набором команд.

  • МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) - со сверхбольшим командным словом.