Аналіз
структур, характеристик і архітектур 32-розрядних мікропроцесорів
Курсова робота виконана студентом групи
ІБ-104 Бєлих А. В.
Московський державний університет економіки, статистики та інформатики (ММУБіІТ)
Кафедра обчислювальних систем, мереж і телекомунікацій.
Москва 1997
Введення.
За час
існування електронна промисловість пережила чимало потрясінь і
революцій. Корінний перелом - створення електронних мікросхем на кремнієвих
кристалах, які замінили транзистори і які назвали інтегральними
схемами. З часу своєї появи інтегральні схеми ділилися на: малі,
середні, великі і ультрабольшіе (МИС, СІС, БІС і УБІС відповідно). Всі
більше і більше транзисторів вдавалося помістити на все менших і менших за
розмірами кристалах. Отже ультрабольшая інтегральна схема виявлялася
не такий вже великий за розміром і величезної за своїми можливостями. Тому
процесори створені саме на основі УБІС. Розвиток мікропроцесорів в
електронної індустрії проходило настільки швидкими темпами, що кожна модель
мікропроцесора ставала малопотужною з моменту появи нової моделі, а ще
через 2-3 роки вважалася застарілою і знімалася з виробництва.
Кожен
мікропроцесор має певну кількість елементів пам'яті, які називаються
регістрами, арифметико-логічний пристрій (АЛП), і пристрій керування.
Регістри
використовуються для тимчасового зберігання виконуваної команди, адрес пам'яті, оброблюваних
даних та іншої внутрішньої інформації мікропроцесора.
У АЛУ
проводиться арифметична і логічна обробка даних.
Пристрій
управління реалізує тимчасову діаграму і виробляє необхідні керуючі
сигнали для внутрішньої роботи мікропроцесора й зв'язку його з іншою апаратурою
через зовнішні шини мікропроцесора.
Серед
вітчизняних БІС є три класи мікропроцесорних ВІС, що відрізняються
структурою, технічними характеристиками і функціональними можливостями: секціонірованние
з нарощуванням розрядності і мікропрограмним управлінням; однокристальних
мікропроцесори і однокристальних мікроЕОМ з фіксованою розрядністю і
системою команд.
Разом з
периферійними БІС, що виконують функції зберігання та вводу-виводу даних,
управління і синхронізації, сполучення інтерфейсів і. т. д., мікропроцесори
становлять закінчені комплекти БІС.
Секціонірованние
мікропроцесорні комплекти (МПК) допускають нарощування параметрів (перш
всього розрядності оброблюваних даних) та функціональних можливостей.
Секціонірованние МПК орієнтовані в основному на застосування в універсальних і
спеціалізованих ЕОМ, контролерах та інших засобах обчислювальної техніки
високої продуктивності.
МПК на основі
однокристальних мікропроцесорів і однокристальних мікроЕОМ, що володіють меншою
продуктивністю, але гнучкою системою команд і великими функціональними
можливостями, орієнтовані на широке застосування в різних галузях
народного господарства.
На даний
момент існує два напрямки у виробництві мікропроцесорів. Вони
розрізняються в принципах архітектури. перший напрямок - це процесори RISC
архітектури; другий - CISC.
Мікропроцесори
з архітектурою RISC (Reduced Instruction Set Computers) використовують
порівняно невеликий (скорочений) набір найбільш вживаних команд,
визначений у результаті статистичного аналізу великої кількості програм для
основних областей застосування CISC - процесорів вихідної архітектури. Всі
команди працюють з операндами і мають однаковий формат. Звернення до пам'яті
виконується з помощьюспеціальних команд завантаження регістра й запису. Простота
структури і невеликий набір команд дозволяє реалізувати повністю їх
апаратне виконання й ефективний конвеєр при невеликому обсязі обладнання.
Арифметику RISC - процесорів вирізняє високий ступінь дроблення конвеєра.
Цей прийом дозволяє збільшити тактову частоту (отже, і продуктивність
) Комп'ютера; чим більш елементарні дії виконуються в кожній фазі роботи
конвеєра, тим вище частота його роботи. RISC - процесори з самого початку
орієнтовані на реалізацію всіх можливостей прискорення аріфмктіческіх
операцій, тому їхні конвеєри мають значно більш високим
швидкодією, ніж в CISC - процесорах. Тому RISC - процесори в 2 - 4 рази
швидше що мають ту ж тактову частоту CISC - процесорів зі звичайною системою
команд і високопродуктивний, незважаючи на більший об'єм програм, на (30%
). Дейв Паттерсон і Карло Секуін сформулювали 4 основних принципи RISC:
Будь-яка операція далжна виконуватися за один
такт, незалежно від її типу.
Система команд повинна містити мінімальну
кількість найбільш часто використовуваних найпростіших інструкцій однакової довжини.
Операції обробки даних реалізуються тільки
у форматі "регістр - регістр" (операнди вибираються з оперативних регістрів
процесора, і результат операції записується також у регістр; а обмін між
оперативними регістрами й пам'яттю виконується тільки за допомогою команд
загрузкізапісі).
Склад системи команд повинен бути "зручний"
для компіляції операторів мов високого рівня.
Мікропроцесори з архітектурою CISC (Complex
Instruction Set Computers) - архітектура обчислень із повною системою команд.
Реалізується на рівні машинної мови комплексні набори команд різної складності
(Від простих, характарних для мікропроцесора першого покоління, до
значної складності, характерних для сучасних 32-розрядних
мікропроцесорів типу 80486, 68040 та ін)
Огляд
деяких 32-розрядних мікропроцесорів.
Огляд почнемо з
процесорів RISC - архітектури.
Мікропроцесори
Alpha.
Проект Alpha
фірми Digital Equipment був орієнтований на передову технологію (0,8 --
мікрона технологія), перспективну архітектуру та обробку 64 - розрядних
додатків в середовищі Unix. Дещо пізніше платформа Alpha AXP була доповнена
засобами підтримки операційної системи Microsoft Windows NT.
Першим
процесором сімейства Alpha AXP став мікропроцесор 21064, виконаний по 0,75
- Мікронній технології, що містить 1,68 млн. транзисторів. Тактова частота (
до 200 Мгц) і суперскалярна обробка дозволили цьому процесору обійти всіх
конкурентів по продуктивності.
У 1994 р
Digital Equipment випустила модифікацію процесора 21064 - модель Alpha 2164А з
тактовою частотою 275 МГц.
У 1993 р,
з-за високої ціни (більше 2000 usd) вищезазначених процесорів, ця
корпорація випустила процесори Alpha 2166 і 2168 (200 -350 usd) з тактовою
частотою 66-233 МГц.
Мікропроцесори
PowerPC.
У 1992 р
компанії IBM, Motorola і Apple прийняли рішення осозданіі сімейства RISC --
процесорів широкого профілю. За основу проекту був узятий процесор POWER
(Performance Optimised With Enchanced RISC).
PowerPC 601 --
це 32 - розрядний процесор тактовою частотою 50,66 або 80 МГц був виконаний за
0,8-мікронній технології.
Подальший крок
- PowerPC 603 з тактовою частотою 66 і 80 Мгц, в якому та ж структура була
реалізована в більш мініатюрному виконанні.
PowerPC 604
виконаний за 0,5 - мікронній технології з тактовою частотою 100 МГц.
Мікропроцесори
ARM фірми Acorn.
Перші МП типу ARM (Acorn Risc Machine)
розроблені у 1985 р. розроблений останнім часом 32 - розрядний МП (на
базі 30-мкм техналогіі CMOS) має такі характеристики: 27 тис.
транзисторів, 4-8 Мгц тактової частоти, 32 - розрядну шину даних,
продуктивність-10 млн оп/с.
Мікропроцесори
CISC - архітекрури.
Мікропроцесор АМ 29000 фірми АМD.
МП орієнтований
на широкий спектр застосування і має наступні характеристики: 26 Мгц-тактова
частота, продуктивність - 25 млн оп/с.
Мікропроцесори
фірми Intel.
У 1985 р фірма
Intel випускає мікропроцесор 80386. Кристал на якому він був виконаний став
родоначальником нового покоління мікропроцесорів.
Мікропроцесор i80386.
Мікропроцесорний
набір 80386 включає наступні схеми: 80386-швидкодіючий 32-розрядний
мікропроцесор з 32 - розрядної зовнішньої шиною; 80387 - швидкодіючий
32-розрядний математичний співпроцесор; 82384 - генератор тактових сигналів;
82385 - контролер кеш-пом'ятий, 82307 - арбітр магістралі, 82308 - контролер
магістралі і.т.д.
МП 80386
оптимізовано для багатозадачних операційних систем і прикладних задач, для
яких необхідний високий бистродействіе.Главной його особливістю є
апаратна реалізація так званої многосістемной програмної середовища,
що забезпечує можливість спільної роботи різнорідних програм користувачів,
орієнтованих на різні операційні системи (UNIX, MS DOS, APX 86). МП
80386 забезпечує програмну сумісність знизу вгору по відношенню до 16 --
розрядним МП. МП має наступні характеристики: 16, 20, 25, 33 Мгц-тактова
частота, продуктивність 4 млн команд в секунду, 32 Мб/с- пропускна
здатність шини.
Мікропроцесор
i486.
Мікропроцесор
містить більш 1 млн. транзісторов.Мікропроцессорний набір включає в себе
наступні мікросхеми: 80486 - швидкодіючий 32 - розрядний процесор;
82596СА - 32 - розрядний співпроцесор LAN; 82320 - контролер магістралі Micro
Channel (MCA); 82350 - контролер магістралі EISA і.т.д.
Всі процесори
сімейства 486 мають 32-розрядну архітектуру, внутрішню кеш-пам'ять 8 КВ з
наскрізний записом (у DX4 -16 КВ). Моделі SX не мають вбудованого співпроцесора.
Моделі DX2 реалізують механізм внутрішнього подвоєння частоти (наприклад, процесор
486DX2-66 встановлюється на 33-мегагерцовим системну плату), що дозволяє
підняти швидкодію практично в два рази, так як ефективність
кешування внутрішньої кеш-пам'яті складає майже 90 відсотків. Процесори
сімейства DX4 - 486DX4-75 і 486DX4-100 призначені для установки на 25-ти і
33-мегагерцовим плати. По продуктивності вони займають нішу між DX2-66 та
Pentium-60/66, причому швидкодію комп'ютерів на 486DX4-100 впритул
наближається до показників Pentium 60. Напруга живлення составляет3, 3 вольта,
тобто їх не можна встановлювати на звичайні системні плати. 486DX4-100 в
настільних системах. На жаль, Intel обмежує постачання процесорів
486DX4-100, а ціни на них встановив на істотно більш високому рівні, ніж на
Pentium 60, щоб уникнути конкуренції між власними продуктами.
Мікропроцесори
фірми АМD.
Фірма AMD
виробляє 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готуються до випуску процесори
486DX2-80 і 486DX4-120. Вони забезпечують повну сумісність з усіма
орієнтованими на платформу Intel програмними продуктами і таку ж
продуктивність, як і аналогічні вироби фірми Intel (при однаковій
тактовою частотою). Крім того, вони пропонуються за більш низькими цінами, а
процесор на 40 MHz відсутній у виробничій програмі Intel,
конкурує з 486DX-33, перевершуючи його по вироби, водітельності на20 відсотків
при меншій вартості.
Мікропроцесори
фірми Cyrix.
Фірма Cyrix
розробила процесори М6 та М7 (аналоги 486SX і 486DX 2) на тактові частоти 33
м 40 MHz, а також з подвоєнням частоти DX2-50 та DX2-66. Вони мають більш
швидкодіючу внутрішню кеш-пам'ять 8 КВ зі зворотним записом і більш швидкий
вбудований співпроцесор. За деякими операціями продуктивність вище, ніж у
процесорів фірми Intel, по некоторимнесколько нижче. Відповідно,
істотно розрізняються і результати на різних тестуючих програмах. Ціни на
486 процесори Cyrix значно нижче, ніж на Intel і AMD.
Для самих
простих систем фірмою Texas Instruments продовжується випуск дешевих, але
ефективних процесорів 486DLC, які, займаючи проміжне положення між
386 і 486 сімейством (вони виконані в конструктиві 386 процесора, забезпечують
продуктивність на рівні 486 процесора при ціні 386. Нова версія - 486SXL
із збільшеною до 8 КВ внутрішньої кеш-пам'яті, ще ближче наближається до
характеристикам 486 сімейства.
Мікропроцесори
фірми Моtorola серії МС680ХХ.
Це сімейство
містить ряд 16-розрядних мікропроцесорів, 32-розрядні мікропроцесори:
68020, 68030, 68040. Моделі мікропроцесорів серії 680ХХ не сумісні з
об'єктно кодами з 8-розрядними мікропроцесорами серії МС68ХХ.
У 32-розрядних
мікропроцесорах поряд із забезпеченням сумісності з 16-розрядними
істотно розширені функціональні можливості: розширення режимів
сумісності, масштабування у ряді режимів (тобто множення вмісту
індексного регістру на 1, 2, 4 або 8) + 16 нових команд процесора і 7 команд
співпроцесора. Основні характеристики: тактова частота 16, 20, 30, 25, 40;
розрядність АЛП - 32; розрядність шин даних та адреси - 32.
На кристалах
МП відсутній блок управління зовнішньої оперативною пам'яттю. Управління
оперативної памятьюсо сторінкової організацією здійснюється за допомогою
мікросхеми МС68851.
Вітчизняні
мікропроцесори.
32 - розрядні
мікропроцесори серії "Електроніка" і СМ ЕОМ.
Основні
архітектурні особливості: віртуальний адресний простір ємністю 4 Гб;
32-розрядне слово; 32 рівня переривання (16 - векторних апаратних і 16
програмних); 21 режим адресації; інструкції змінного формату; підтримка
сумісності з16 - розрядними моделями серії "Електроніка".
Мікропроцесори
типу транстьютеров.
Транстьютери
являють собою мікропроцесори, розраховані на роботу в мультипроцесорних
системах з однотипними процесорами і апаратну підтримку обчислювальних
процесів. Особливістю транстьютеров є наявність комунікаційних швидких
каналів зв'язку, каждий з яких може одночасно передавати по одній
магістралі дані в процесор, а за іншою - дані з нього. У складі команд
транстьютеров є команди управління процесами, підтримки інструкцій мов
високого рівня. Трансп'ютерів головним чином застосовуються як
співпроцесорів ПЕОМ.
трансп'ютерів
фірми INMOS.
Типовими
трансп'ютерів є моделі Т414 і Т800.
Модель Т414
містить 6 32-розрядних регістрів, три регістра стека, лічильник команд, регістр
адреси робочої зони пам'яті, реєстр операнда.
Загальне число
команд МП одно 111, режимів адресації - 1, комунікаційних каналів зв'язку - 4,
швидкість передачі по кождому каналу 20 Мбіт/с.
Модель Т800
містить додатково співпроцесор арифметичних операцій з плаваючою точкою з
швидкодією до 2,25 млн. опер.сек.
Системи
програмування трансп'ютерів в основному включають транслятори з мов високого
рівня Паскаль, Сі, Фортран.
Деякі
характеристики трансп'ютерів фірми INMOS: розрядність - 32, швидкість обробки
даних - 40 Мбайт/с, що адресуються простір - 4 Гбайт.
Загальний огляд
структур, характеристик і архітектур 32-розрядних мікропроцесорів.
структура
різних типів МП можуть істотно відрізнятися, однак з точки зору
користувача найбільш важливими параметрами є архітектура, адресний
простір пам'яті, розрядність шини даних, швидкодія.
Архітектуру МП
визначає розрядність слова і внутрішньої шини даних МП. Перші МП
грунтувалися на 4-розрядної архітектури. Перші ПЕОМ використовували МП із 8 --
розрядної архітектурою, а сучасні МП засновані на МП з 16 і 32 - розрядної
архітектурою.
Мікропроцесори з 4 - і 8-розрядної
архітектурою використовували послідовний принцип виконання команд, при
якому чергова операція починається тільки після виконання попередньої. У
деяких МП із 16-розрядної архітектурою використовуються принципи паралельної
роботи, при якій одночасно з виконанням поточної команди виробляються
попередня вибірка й зберігання наступних команд. У МП із 32-розрядної
архітектурою використовується коівейерний метод виконання команд, при якому
кілька внутрішніх пристроїв МП працюють паралельно, здійснюючи одночасно
обробку декількох послідовних команд програми.
Адресне
простір пам'яті визначається розрядністю адресних регістрів і адресної
шини МП. У 8-розрядних МП адресні регістри зазвичай складаються з двох
8-розрядних регістрів, утворюючи 16-розрядну шину, що адресують 68 Кбайт пам'яті. У
16-розрядні МП, як правило, використовуються 20-розрядні адресні регістри,
адресують 1 Мбайт пам'яті. У 32-розрядних МП використовуються 24 - і 32-розрядні
адресні регістри, що адресують від 16 Мбайт до 4 Гбайт пам'яті.
Для вибірки команд і обміну даними з пам'яттю
МП мають шину даних, розрядність якої, як правило, збігається з
розрядністю внутрішньої шини даних, яка визначається архітектурою МП. Однак для
спрощення зв'язку із зовнішньою апаратурою зовнішня шина даних може мати
розрядність меншу, ніж внутрішня шина й регістри даних. Наприклад, деякі
МП, 16-бітна архітектурою мають 8-розрядну зовнішню шину даних. Вони
представляот собою спеціальні модифікації звичайних 16 розрядних МП і обладют
практично той же обчислювальною потужністю.
Одним з важливих
параметрів МП є швидкодія визначається тактовою частотою його
роботи, яка зазвичай задається внеш ними синхросигналами. Для різних МП ця
частота має межі 0,4 ... 33 МГц. Виконання найпростіших команд (наприклад,
додавання двох операндів ізрегістров або пересилання операндів врегістрах МП) вимагає
мінімально двох періодів тактових імпульсів (для вибірки команди і її
виконання). Більш складні команди вимагають для виконання до 10 - 20 періодів
тактових імпульсів. Якщо операнди знаходяться не в регістрах, а в пам'яті,
додатковий час витрачається на вибірки операндів у регістри і записи
результату в пам'ять.
Швидкість роботи
МП визначається не тільки тактовою частотою, але і набором його команд, їх
гнучкістю, розвиненою системою переривань.
Структури,
характеристики та архітектури деяких мікропроцесорів.
Мікропроцесори
Alpha.
Технологічне
рішення сприяє підвищенню продуктивності процесора АГР 21064,
Є два роздільні кеш - пам'яті для команд і даних по 8 Кбайт кожна.
Крім того, в цьому чіпі застосований метод предсказания розгалуження (Branch
Prediction), що дозволяє прогнозувати можливі розгалуження потоків
конвеєрної лінії.
Основним
прімуществом цього процесора є його висока тактова частота,
що забезпечується особливою структурою процесора.
Мікропроцесори
ARM.
МП містить
АЛУ, сдвігатель, помножувач, двадцять сім 32 - розрядних регістрів.
У МП реалізований
триступеневий конвеєр (одна інструкція виконується, друга-декодується
третя - зчитується в пам'яті).
Звернення до
пам'яті здійснюється тільки командами зарузкі і запам'ятовування регістрів,
забезпечують адресацію байти або 32-розрядного слова.
МП може
працювати в чотирьох режимах (О - користувача, 1 - переривання. 2 - швидкого
переривання. 3 - супервізора), кожен з яких може використовувати свої
власні 32-розрядні регістри.
Режим
Номери регістрів
0
0 - 15
1
10 - 14
2
13, 14
3
13, 14
Всі команди МП
мають довжину 32 розряду.
Мікропроцесор
АМ 29000 фірми АМD.
МП містить три
пристрої: попередньої вибірки, виконавче, управління пам'яттю.
Виконавче
пристрій включає в себе регістровий файл, що містить 64 регістрас
фіксованим адресою (глобальні регістри) і 128 регістрів зі змінним
адресою (локальні регістри).
Глобальні
регістри призначаються статично компілятором або програмістом. Вони можуть бути
використані для розміщення даних ОС, таких, як базових адрес сторінок.
Локальні регістри виконують функції
регістрів стека для зберігання параметрів процедури звернення до підпрограмі. Всі
команди мають фіксований 32-розрядний формат, що забезпечує спрощення
організації конвеєра, схеми вибірки та обробки команди та ін
Мікропроцесори
фірми Intel.
У процесорах
застосовуються розширені мікроканалів, що характеризуються наступними пеімуществамі
: Підтримка паралельної багатопроцесорної багатозадачного роботи; до 15 каналів
прямого доступу; одночасна обробка та вибірка даних; вдосконалений
доступ до даних; вдосконалена діагностика і локалізація помилок;
управління конфліктами при переривання вводу - виводу; автоматичне
розширення; ідентифікація та інтеграція.
Мікропроцесор
i80386.
У 80386 є
32 регістра, які поділяються на такі групи: регістри загального призначення,
сегментні, покажчик команд і прапори, управління.
Шість програмно
доступних регістрів налагодження реалізують підтримку процесу налагодження програм:
чотири вказують чотири точки зупину, керуючий використовується для установки
контрольних точок, а статусний показує поточний стан точок зупину.
Ці регістри забезпечують завдання контрольних точок зупинки по командах і
даними, а також крок за кроком режим виконання програми.
Мікропроцесор
80386 містить шість блоків, які забезпечують управління виконанням команд,
сегментацію, сторінкову рганізацію пам'яті, пару з шинами, декодування і
упереджувальну вибірку команд. Всі ці пристрої працюють у вигляді конвеєра,
причому кожна з них може виконувати свою
конкретну функцію паралельно з іншими. Таким чином, під час
виконання однієї команди проводиться декодування другого, а третього вибирається
з пам'яті. Додатковим засобом підвищення продуктивності служить
спеціальний блок швидкого множення (ділення). Пристрій керування пам'яттю
містить блок сегментації і блок сторінкової організації. Сегментація дозволяє
управляти логічним адресним простором, забезпечуючи переместімость
програм і даних і ефективний розподіл пам'яті між завданнями. Сторінковий
механізм працює на більш низькому рівні я прозорий для сегментації, дозволяючи
керувати фізичним простором. Кожен сегмент розділяється на одну
або кілька сторінок розміром 4 Кбайта.
Пам'ять
організована у вигляді одного або декількох сегментів змінної довжини.
Максимальна довжина сегмента 4 Гбайт. Кожна область адресного простору
може мати пов'язані з нею атрибути, що визначають її розташування, розмір, тип
(стек, програма або дані) характеристики захисту.
Пристрій
сегментації забезпечує чотирьохрівневий захист для ізоляції прикладних задач
і операційної системи один від одного.
Мікропроцесор
i486.
У порівнянні з
80386 процесором, майже всі удосконалення зроблені на апаратному рівні, і
у нового процесора набагато більше. На кристалі, крім центрального
процесора, були розміщені: математичний співпроцесор, кеш і пристрій
управління памяпью, яке дозволяло фізично адресувати до 4 Гбайт ОЗУ.
Мікропроцесор 80486 на частоті 25 - Мгц працював у 3 - 4 рази швидше ніж
мікропроцесор 80386, розрахований на таку ж частоту.
В
мікропроцесорі використовуються роздільні 32 - розрядні шини адреси і даних,
забезпечують в монопольному режимі швидкість передачі даних до 106 М байтс (
при тактовій частоті 33 Мгц), а також 8 Кбайт вбудованої кеш - пам'яті, що грає
роль буфера між щодо повільної основною пам'яттю і високошвидкісним
процесором. Процесор i80486 свого часу був незамінним при роботі в
такий на багато користувачів як UNIX.
Вибір
показників для оцінки мікропроцесорів.
Перший
показник - архітектура самого мікропроцесора, яка вона RISC або CISC.
Основні
характеристики архітектур типових MП наведено на наступній сторінці:
Характеристика
CISC
RISC
Формат команд
Змінний
Стандартний
Структура команд
Складна
Проста
Виконання всіх команд
Апаратно - програмне
Апаратне
Число команд
Велике
Невелике
Число регістрів
Невелике
Велике
Час обробки переривання
Середня
Дуже мала
Тактова частота, МГц
25; 33; 40
12; 16,7; 20
Середнє число тактів за інструкцію
4 - 6
1,2 - 2
Середнє число транзисторів, тис.
300 - 400
до 50
Швидкодія млн. опс.
4 - 6
10 - 12
Відношення тис транзісторовмлн. опс
70
5
Поступове
ускладнення CISC-процесорів відбувається в напрямку більш досконалого
управління машинними ресурсами, а також у напрямку зближення машинних мов
з мовами високого рівня.
У той же час
складна система команд і змінний формат команди процесором із CISC
архітектурою призвели до швидкого зростання складності схем (80386 містить 270 тис.,
а 80486 - 1 млн. транзисторів) і, як наслідок, до межі можливостей CISC -
архітектури в рамках існуючої кремнієвої технології.
Ускладнення RISС
процесорів фактично наближає їх архітектуру до СISC-архітектурі.
В даний
час число MП з RISC-архітектурою істотно зросла і всі провідні фірми США
їх виробляють, в тому числі фірми Intel, Motorola - виробники основних
сімейств МП з СISC-архнтектурой.
Процесори з
RISC - архітектурою широко застосовуються в платах - прискорювачах (акселераторах)
для перетворення стандартних 16 - розрядних ПЕОМ в 32 - розрядні
персональні системи високої продуктивності.
Другий
показник - продуктивність. Розрізняють декілька продуктивностей, в
даному випадку я розгляну 2 види: пікову або граничну (продуктивність
процесора без урахування часу звернення до оперативної пам'яті за операндами) і номінальну
(продуктивність процесора з оперативною пам'яттю).
Пікова
продуктивність визначається як середнє число команд типу «регістр --
регістр », які виконуються в одиницю часу без обліку їх статистичного ваги в
вибраному класі задач. В даний час за кордоном пікова виробник
ність процесора вимірюється для команди типу «ні операції» в мільйонах
операцій в сек.
Номнальная
продуктивність традиційно визначається як середнє число команд,
виконуваних полсістемой «процесор - пам'ять» з урахуванням їх статистичного ваги в
вибраному класі задач. Вона розраховується, як правило, за формулами і
спеціальними методиками, запропонованими процессров певних архітектур, і
вимірюється разботаннимі для них вимірювальними програмами, що реалізують відповідну
еталонну навантаження.
Третій
показник - швидкодія, що вимірюється мільйонами тактів всекунду або Мега
Герца. Чим більше Мгц тим краще, хоча вибір найбільш швидкого процесора в
цьому плані залежить від товщини гаманця.
Порівняльна
оцінка структур і архітектур сумісних 32-розрядних мікропроцесорів.
В
мікропроцесорної індустрії тільки фірма Intel "винайшла велосипед" інші
фірми та корпорації "танцювали від вихідного" прибрати патенти або допрацьовує
і вдосконалюючи, на скільки дозволяв прогрес у цій галузі, дітища фірми
Intel. Тому я спробую порівняти продукти цієї фірми, вважаючи всі інші
процесори клонами з доробками або без.
Обидва процесора
80386 та 80486 мають однакову архітектуру - CISC. Фірма Intel зайняла нішу CISC
процесорів, процесорів більш загального застосування за істотно низькими цінами.
Фірма Intel для
оцінки продуктивності своїх процесорів запропонувала спеціальний індекс --
iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance), який, за її
думку, більш точно відображає зростання продуктивності при переході до
нового покоління процесорів (деякі з випущених вже моделей комп'ютерів
на основі Pentium при виконанні певних програм демонструють навіть
меншу швидкодію, ніж комп'ютери на основі 486DX2-66, це пов'язано як з
недоліками конкретних системних плат, так і з неоптімізірованностью
програмних кодів). Продуктивність процесора 486SX-25 приймається за 100.
Продуктивність інших про-цессора, які залишаться в найближчій виробничої
програмі фірми Intel, представлена в наступній таблиці:
МОДЕЛЬ
ІНДЕКС iCOMP
486SX2-50
180
486DX2-50
231
486DX2-66
297
486DX4-75
319
486DX4-100
435
Pentium-60
510
Pentium-66
567
Pentium-90
735
Іноді загальна
швидкість роботи комп'ютера називається продуктивністю. Є декілька
способів вимірювання продуктивності, і вона залежить від багатьох факторів,
наприклад розміру та швидкодії дисків, наявності співпроцесора і швидкодії
мікросхем пам'яті. Однак найбільш важливим фактором є швидкодія
процесора.
Як правило
продуктивність нових процесорів вище старих. Наприклад, процесори 386 і
486 швидше процесора 8086. Звичайно процесори 386 і 486 не тільки по швидкості
- Набагато важливіше їх розширені можливості. Багато хто забуває, що важлива не
тільки швидкість процесора, але і те, що він може робити.
Зазвичай кожен
член процесорного сімейства включає декілька моделей, єдина відмінність
яких полягає в робочій частоті. Діями процесора керують електричні
імпульси, що з'являються мільйони разів в секунду. Кожен імпульс викликає
деяку дію процесора, і час виконання конкретної операції
вимірюється числом імпульсів (часто званих тактами). Наприклад, для множення
двох чисел потрібно більше тактів, ніж для складання.
Число тактів на секунду вимірюється мільйонами
навіть для повільних процесорів і виражається в мегагерцах (МГц). Наприклад, 10
МГц означають 10 мільйонів тактів на секунду.
За інших рівних параметрах комп'ютер з
більш швидким процесором працює швидше комп'ютера з тим же процесором,
мають меншу частоту. Наприклад, перший комп'ютер PC AT мав процесор 286,
що працює на частоті 6 МГц. Через деякий час з'явився більш швидкий
комп'ютер PC AT з тим же процесором 286, але працює на частоті 8 Мгц.
При порівнянні
швидкодії процесорів необхідно мати на увазі, що нові процесори
працюють ефективніше старих. Наприклад, процесор 486 з частотою 25 МГц працює
швидше процесора 386 з тією ж частотою 25 МГц. У разі сумнівів вибирайте
найшвидший комп'ютер, який підходить за вартістю. У моделях одного і того
ж комп'ютера застосовуються процесори з багатьох інших швидкодією. Наприклад,
модель 70 сімейства PS/2 випускається з процесором 386, що працюють на частотах
16, 20 або 25 МГц. Крім того, в деяких комп'ютерах моделі 70 застосовується
процесор 486. У таблиці наведено процесори сімейства 86 з їх робочими
частотами. Показані всі робочі частоти, оголошені фірмою Intel. Однак не
які процесори з низькою робочою частотою зняті з виробництва. Від зауважимо,
що фірма Intel за ліцензіями дозволяла іншим фірмам випускати процесор 286 і
деякі інші; ці фірми пропонували процесори з відмінними робітниками
частотами. У таблиці наведено лише частоти, офіційно оголошені фірмою
Intel.
Таблиця
Процесори сімейства 86 фірми Intel.
Процесор
Частоти (МГц)
8088
4,77
; 8
8086
4,77
; 8; 10
188
8;
10; 12,5; 16
186
8;
10; 12,5; 16
286
8;
10; 12,5
386SX
16;
20
386SL
20;
25
386DX
16;
20; 25; 33
486SX
16;
20; 25; 33
486DX
25;
33; 50
486DX2
50; 66
486SL
20; 25
Pentium
60; 66
Відзначимо, що в
рекламних оголошення зустрічаються комп'ютери з процесорами 486, що працюють на
частоті 66 Мгц. Фактично мова йде про процесори DX2, які всередині
діють на частоті 66 Мгц, а з іншими пристроями взаємодіють на
частоті 33 Мгц. Самий швидкодіючим процесором 486 (і найшвидша шина
комп'ютера) має робочу частоту 50 Мгц. Однак виявилося, що звичайні шини
PC працюють на такій частоті ненадійно. У найбільш надійних комп'ютерах
застосовується шина на 33 Мгц, а результати тестування показують, що
процесори DX2 з частотою 66 Мгц за деяких умов перевершують моделі з
робочою частотою 50 МГц.
Перспективи
розвитку мікропроцесорів.
поміркувати про майбутнє PC досить цікаво.
Технологія вдосконалюється настільки швидко, що її постійні новинки стають
нормою. Зупинимося докладніше на майбутньому процесорів сімейства 86.
В даний
час RISC - процесори є також базою для побудови співпроцесорів і
спецпроцесорів, інтелектуальних контролерів та інших пристроїв.
Вважають, що
саме конкуренція між Power PC і Pentium є самим істотним
фактором для розвитку ринку процесорів і персональних комп'ютерів. Power PC
601 приблизно в два рази дешевше, ніж Pentium, споживає в два рази меншу
потужність і перевершує Pentium по продуктивності, особливо за операціями з
плаваючою точкою. Спочатку на процесорі 601 була реалізована тільки система
6000 фірми IBM і PowerMac фірми Apple. В даний час більшість
виробників комп'ютерів мають свої варіанти систем на базі Power PC, однак
рішення про їх виробництві буде визначатися перш за все складається
кон'юнктурою.
Почнемо з
процесварка Pentium, самого досконалого творіння фірми Intel. У ньому є
кілька новинок, наприклад, 64-бітова шина, пророкування переходу, окремі
кеші для даних і команд. Процесор Pentium працює мінімум удвічі швидше
процесора 486DX з частотою 66 МГц, виконуючи 100 мільйонів операцій у секунду
при частоті синхронізації 60 МГц. Порівняйте ці показники з процесором 8088
перший IBМ PC, що працювали на частоті 4,77 МГц. Більш того, Pentium набагато
ефективніше процесора 8088; фактична продуктивність в кілька разів вище,
ніж просто при порівняй нии частот синхронізації.
Однак,
згідно з повідомленнями фірми, недалекий випуск ще більш швидко діючих
процесорів. У середині 90х років очікується поява процесора 686 (можливо,
він буде називатися по-іншому), а в кінці століття з'явиться процесор 786.
Якщо
попередні відомості точні (мабуть, це і є), процесор 786 буде
працювати на частоті 250 МГц, мати 5 мільйонів транзисторів чотири окремих
процесорних модуля, а також два векторних процесора для обробки списків чисел,
розміщаючись на чіпі площею 1 кв дюйм. Крім того, значна увага
приділяється самотестування і графічному інтерфейсу з дуже високою
роздільною здатністю, включаючи рухомі зображення в реальному часі.
Разом з тим в процесорі 786 збережеться сумісність з усім наявним
програмним забезпеченням фірмі Intel цей майбутній процесор називається Micro
2000 (але, можливо, він з'явиться під іншою назвою).
Зараз самим
швидкодіючим процесором є Pentium з частотою сінхроніааціі 66 МГц.
У лютому 1991 р. фірма Intel представила варіант процесора 486 з частотою 100
МГц, але його комерційних постачань не було, оскільки Pentium забезпечує більш
високу продуктивність при меншій частоті. Однак можлива поява
процесора Pentium з робочою частотою 100 МГц до випуску процесора 786.
Крім все
більш швидкодіючих процесорів з'являються все нові пристосування.
Цікавим, прикладом служить роз'єм або гніздо для по височини продуктивності
(overdrive socket), що є в деяких тимчасових комп'ютерах. Раніше люди не
знали, для чого призначеної це гніздо, а зараз вони знають, що в нього можна
вставити математичний співпроцесор або більш продуктивний процесор. З
появою процесора Pentium очікується поява мультипроцесорних PC c
продуктивністю потужних мінікомп'ютерів і вартістю в кілька разів нижче.
Звернемося до
таблиці, що показують приблизну кількість транзисторів в кождий
процесорі, що дозволяє наближено оцінити їх складність. Щоб показати
стрімкий прогрес комп'ютерної технології, в таблицю включені
попередники сімейства 86.
Таблиця. Попередники, члени та майбутні
члени процесорного сімейства 86 фірми Intel.
Процесор
Число транзисторів
Рік випуску
4004
2300
1971
8008
3500
1972
8080
6000
1974
8080A
6000
1976
