Название: Вычислительная техника (Захаров Н. Г.)

Жанр: Энергетический

Просмотров: 1545


8.2. основные характеристики микропроцессоров, используемых в пэвм

 

Микропроцессор, или Central Processing Unit (CPU) – функционально- законченное программно управляемое устройство обработки информации, выпол- ненное в виде одной или нескольких БИС или СБИС интегральных схем.

МП выполняет следующие функции:

 

  вычисление адресов команд и операндов;

 

  выборку и дешифрацию команд из ОП;

 

  выборку данных из ОП;

 

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

 

  обработку данных и их запись в ОП;

 

  выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков ПК;

 

  переход к следующей команде.

 

В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но среди микропроцессоров, используемых в ПЭВМ, наиболее популярными являют- ся микропроцессоры семейства х86.

Конструктивно современный МП представляет собой СБИС, реализованную на одном полупроводниковом кристалле — тонкой пластинке кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров. На ней размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обыч- но помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется зо- лотыми выводами с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоеди- нить к системной плате компьютера.

Внешний   вид   микропроцессора   Intel   Pentium   4   Core2   Duo   представлен на рис. 8.4.

 

Рис. 8.4. Микропроцессор Intel Pentium 4 Core2 Duo

С внешними устройствами, и, в первую очередь, с оперативной памятью, про-

 

цессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами.

 

Адресная  шина.  У  большинства  современных  процессоров  адресная  шина

 

32-разрядная, т. е. состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть на- пряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена еди- ница или ноль. Комбинация из 32 нолей и единиц образует 32-разрядный адрес, ука- зывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процес- соров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, т. е. состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. В большинстве процессоров шина команд 32- и 64-разрядная,

 

хотя существуют 128-разрядные процессоры.

 

В процессорах семейства х86 различают реальный, защищенный и виртуаль-

 

ный режимы работы.

 

Реальный режим соответствует возможностям первых процессоров 8086/8088, имеющих 20-разрядную адресную шину, позволяя адресовать не более 1 Мбайт (220) памяти. Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, все последующие процессоры поддерживают реальный режим, используя при этом свои минимальные возможности.

Защищенный режим появился впервые в МП 80286. В этом режиме, если фи- зическая память полностью загружена, непоместившиеся данные МП располагает на винчестере. При этом он работает не с реальными, а с виртуальными адресами, кото- рые управляются через специальные таблицы, с тем чтобы информацию можно было найти (или снова записать). Эту память называют еще виртуальной памятью, так как фактически она не существует.

Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного ре- жима. При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, выпадающие на каждую из программ. Начиная с процессора 80386 его архи- тектура определяет четыре уровня привилегий для защиты кода и данных системы от случайного или преднамеренного изменения со стороны менее привилегированного

кода. Такой метод выполнения кода называют моделью защиты Intel. Уровни приви- легий задаются от 0 до 3. Уровень привилегий 0, отведенный под ядро операционной системы, — режим ядра максимальный. Уровень привилегий 3, или режим пользо- вателя, минимальный.

Виртуальный режим. Впервые начиная с процессора 386 CPU могут эмулиро- вать работу нескольких процессоров 8086 и тем самым обеспечить многопользова- тельский режим таким образом, что на одном ПК могут быть записаны одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увеличивается и возможное количество выполняемых приложений.

Основными параметрами МП являются: рабочее напряжение, разрядность, ра- бочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому различным моделям МП соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития МП происходит постепенное понижение рабочего на- пряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С перехо- дом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряже- нием 2,2 В и менее. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстоя- ния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных до- лей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату на- пряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были

16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium могут быть 32- и 64-разрядными, и работать с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется раз- рядностью внутренних регистров).

Рабочая  тактовая  частота  и  коэффициент  ее  внутреннего  умножения. В процессоре исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые  импульсы  задает  одна  из  микросхем,  входящая  в  микропроцессорный

комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу вре- мени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты процессоров уже превосходят несколько миллиардов тактов в секунду (свыше 3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая по чисто физическим причинам не может работать со столь высокими частотами, как процес- сор и составляет сотни МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более. Например, у процессора Pentium 4 частота системной шины 4х200 МГц составляет

800 МГц.

 

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы сверхоперативная па- мять. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и толь- ко если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. Высокопроизводительные процессоры всегда имеют повышенный объем кэш-памяти.

Основные характеристики микропроцессоров Pentium приведены в таблице 8.1.

 

Эволюция развития МП Intel Pentium и их характеристики

 

Pentium. Начал выпускаться фирмой Intel в марте 1993 г. Имеет 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шины данных. Микропроцессор выполнен по

0,8-микрометровой технологии, имеет более 3 млн транзисторов и работает на такто- вых частотах 60 и 66 МГц. Через год появилась следующая модель микропроцессора, выполненная по 0,5-, позднее по 0,35-микрометровой технологии. Впервые был при- менен раздельный 16-килобайтный кэш: 8 Кбайт для инструкций и 8 Кбайт для дан- ных. Тактовая частота была в пределах 75—200 МГц, а тактовая частота системной шины — 50—66 МГц.

162

 
Подпись: 162

 

Таблица 8.1

 

 

Тип

процессора

Год

начала выпуска

Тактовая

частота первого процессора

Количество

транзисторов на кристалле

Размерность

внутренних регистров*

Размерность

внешней шины данных

Максимальная

адресуемая фи-

зическая память

Размер

внутреннего кэша

8086

1978

8 МГц

29 тыс.

16GP

16

1 Мбайт

Нет

Intel 286

1982

12,5 МГц

134 тыс.

16 GP

16

16 Мбайт

Нет

Intel 386 DX

1985

20 МГц

275 тыс.

32 GP

32

4 Гбайт

Нет

Intel 486 DX

1989

25 МГц

1,2 млн

32 GP

80FPU

32

4 Гбайт

L1: 8 Кбайт

Pentium

1993

60 МГц

3,1 млн

32 GP 80FPU

64

4 Гбайт

L1: 16 Кбайт

Pentium Pro

1995

200 МГц

5,5 млн

32 GP

80FPU

64

64 Гбайт

L1: 16 Кбайт

L2: 256 Кбайт или 512 Кбайт

Pentium II

1997

266 МГц

7 млн

32 GP 80FPU

64 ММХ

64

64 Гбайт

L1: 32 Кбайт

L2: 256 Кбайт или 512 Кбайт

Pentium III

1999

500–1000 МГц

8,2 млн

32 GP 80FPU 64

ММХ 128 ХММ

64

64 Гбайт

L1: 32 Кбайт

L2: 512 Кбайт

Pentium IV

2000

1–4 ГГц

42 млн

32 GP 80FPU 64 ММХ

128 ХММ

64

64 Гбайт

L1: 16 Кбайт

L2: 256, 512

Кбайт,

до 8 Мбайт

* GP — регистры общего назначения, FPU — регистры математического сопроцессора

Pentium MMX – это версия Pentium с дополнительными мультимедиа- инструкциями (добавлено 57 новых инструкций). Основа ММХ — технология обра- ботки множественных данных одной инструкцией (Single Instruction Multiple Data, SIMD). Кэш-память увеличена до 32 Кбайт. Тактовая частота 166–233 МГц. Частота системной шины 66 МГц.

 

Pentium Pro. Промышленный выпуск начался в ноябре 1995 г. Это процессор, разработанный для 32-разрядных операционных систем. Впервые в микропроцессоре вместе с кэш-памятью L1 (здесь объемом 16 Кбайт) стали применять кэш-память второго уровня (L2), объединенную в одном корпусе и оперирующую на частоте микропроцессора. Выпускался сначала по 0,5-, позднее по 0,35-микрометровой тех- нологии и имел в своем составе более 5 млн транзисторов кэш-уровня L1 объемом

16 Кбайт. Кэш уровня L2 имел объем 256, 512, 1024 и 2048 Кбайт. Тактовая частота от 150 до 200 МГц. Четырехканальная параллельная обработка данных

Частота системной шины 60—66 МГц.

 

Pentium Pro поддерживал все инструкции процессора Pentium, кроме ММХ, а также ряд новых инструкций.

 

Pentium II.  Первая  модель  микропроцессора  Pentium II  впервые  появилась в   мае   1997   г.   Процессоры   линейки   Pentium   II   изготавливались   по   0,35-   и

0,25-микрометровой  технологии.  Диапазон  тактовых  частот  от  233  до  533  МГц,

 

дополнены ММХ-блоком.

 

Pentium III. Изготавливались по 0,18- и 0,13-микрометровой технологии, имеют расширенный набор ММХ (ММХ2), в основе которого лежит технология SSE (Streaming SIMD Extentions), где технология SIMD расширена на числа с плавающей запятой. Добавлены новые 128-разрядные регистры. Каждый регистр может обраба- тывать четыре числа с плавающей запятой. Усовершенствована технология поточного доступа к памяти, улучшающая взаимодействие между кэш-памятью L2 и оператив- ной памятью. Дополнительные инструкции называются инструкциями KNI (Katmai New Instruction). Внедрение KNI предназначено для ускорения работы графических приложений и 3D-игр. Тактовая частота от 450 до 1000 МГц и выше.

Pentium IV. Отличительной особенностью этих процессоров является наличие новой системы команд-инструкций, значительно ускоряющих обработку мультиме- дийной информации (видео, звука, графики), — SSE2, SSE3. Тактовые частоты дости- гают 3 ГГц и выше. Двухядерные процессоры Intel Pentium Сore 2 имеют частоту сис- темной шины 1066 МГц.