^{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.