Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Рефераты по информатике и программированию » Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Курсовая работа выполнена студентом группы ИБ-104 Белых А. В.

Московский государственный университет экономики статистики и информатики (ММУБиИТ)

Кафедра вычислительных систем сетей и телекоммуникаций.

Москва 1997

Введение.

За время существования электронная промышленность пережила немало потрясений и революций. Коренной перелом - создание электронных микросхем на кремниевых кристаллах которые заменили транзисторы и которые назвали интегральными схемами. Со времени своего появления интегральные схемы делились на: малые средние большие и ультрабольшие ( МИС СИС БИС и УБИС соответственно ). Все больше и больше транзисторов удавалось поместить на всё меньших и меньших по размерам кристаллах. Следовательно ультрабольшая интегральная схема оказывалась не такой уж большой по размеру и огромной по своим возможностям. Поэтому процессоры созданы именно на основе УБИС . Развитие микропроцессоров в электронной индустрии проходило настолько быстрыми темпами что каждая модель микропроцессора становилась маломощной с момента появления новой модели а ещё через 2-3 года считалась устаревшей и снималась с производства.

Каждый микропроцессор имеет определённое число элементов памяти называемых регистрами арифметико-логическое устройство ( АЛУ ) и устройство управления.

Регистры используются для временного хранения выполняемой команды адресов памяти обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС отличающихся структурой техническими характеристиками и функциональными возможностями : секционированные с наращиванием разрядности и микропрограмным управлением ; однокристальные микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ с фиксированной разрядностью и системой команд.

Вместе с периферийными БИС выполняющими функции хранения и ввода-вывода данных управления и синхронизации сопряжения интерфейсов и. т. д. микропроцессоры составляют законченные комплекты БИС.

Секционированные микропроцессорные комплекты ( МПК ) допускают наращивание параметров ( прежде всего разрядности обрабатываемых данных ) и функциональных возможностей. Секционированные МПК ориентированы в основном на применение в универсальных и специализированных ЭВМ контроллерах и других средствах вычислительной техники высокой производительности.

МПК на основе однокристальных микропроцессоров и однокристальные микроЭВМ обладающие меньшей производительностью но гибкой системой команд и большими функциональными возможностями ориентированны на широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

На данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC - процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощьюспециальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом обьёме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифмктических операций поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней несмотря на больший обьём программ на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

Любая операция далжна выполняться за один такт вне зависимости от ее типа.

Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.

Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ ( операнды выбираются из оперативных регистров процессора и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузкизаписи ).

Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня.

Микропроцессоры с архитектурой CISC ( Complex Instruction Set Computers) - архитектура вычислений с полной системой команд. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности ( от простых характарных для микропроцессора первого поколения до значительной сложности характерных для современных 32 -разрядных микропроцессоров типа 80486 68040 и др. )

Обзор некоторых 32-разрядных микропроцессоров.

Обзор начнём с процессоров RISC - архитектуры.

Микропроцессоры Alpha.

Проект Alpha фирмы Digital Equipment был ориентирован на передовую технологию ( 0 8 - микронная технология ) перспективную архитектуру и обработку 64 - разрядных приложений в среде Unix. Несколько позднее платформа Alpha AXP была дополнена средствами поддержки операционной системы Microsoft Windows NT.

Первым процессором семейства Alpha AXP стал микропроцессор 21064 выполненный по 0 75 - микронной технологии содержащим 1 68 млн. транзисторов. Тактовая частота ( до 200 Мгц ) и суперскалярная обработка позволии этому процессору обойти всех конкурентов по производительности.

В 1994 г Digital Equipment выпустила модификацию процессора 21064 - модель Alpha 2164А с тактовой частотой 275 МГц.

В 1993 г из-за высокой цены ( более 2000 usd ) вышеупомянутых процессоров эта корпорация выпустила процессоры Alpha 2166 и 2168 ( 200 -350 usd ) с тактовой частотой 66-233 МГц.

Микропроцессоры PowerPC.

В 1992 г компании IBM Motorola и Apple приняли решение осоздании семейства RISC - процессоров широкого профиля. Заосновупроектабылвзятпроцессор POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) .

PowerPC 601- это 32- разрядный процессор тактовой частотой 50 66 или 80 МГц был выполнен по 0 8 -микронной технологии.

Дальнейший шаг - PowerPC 603 с тактовой частотой 66 и 80 Мгц в котором та же структура была реализована в более миниатюрном исполнении.

PowerPC 604 выполнен по 0 5 - микронной технологии с тактовой частотой 100 МГц.

Микропроцессоры ARM фирмы Acorn.

Первые МП типа ARM (Acorn Risc Machine) разработаны в 1985 г. разработанный в последнее время 32- разрядный МП ( на базе 30-мкм техналогии CMOS ) имеет следующие характеристики: 27 тыс. транзисторов 4-8 Мгц тактовой частоты 32- разрядную шину данных производительность- 10 млн оп/с.

Микропроцессоры CISC - архитекруры.

Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.

МП ориентирован на широкий спектр применения и имеет следующие характеристики: 26 Мгц -тактовая частота производительность - 25 млн оп/с.

Микропроцессоры фирмы Intel.

В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

Микропроцессор i80386.

Микропроцессорный набор 80386 включает следующие схемы: 80386-быстродействующий 32-разрядный микропроцессор с 32- разрядной внешней шиной; 80387 - быстродействующий 32-разрядный математический сопроцессор; 82384 - генератор тактовых сигналов; 82385 - контроллер кеш-помяти 82307 - арбитр магистрали 82308 - контроллер магистрали и.т.д.

МП 80386 оптимизирован для многозадачных операционных систем и прикладных задач для которых необходимо высокое быстродействие.Главной его особенностью является аппаратная реализация так называемой многосистемной програмной среды обеспечивающей возможность совместной работы разнородных програм пользователей ориентированных на разные операционные системы ( UNIX MS DOS APX 86 ). МП 80386 обеспечивает програмную совместимость снизу вверх по отношению к 16- разрядным МП. МП имеет следующие характеристики: 16 20 25 33 Мгц -тактовая частота производительность 4 млн команд в секунду 32 Мб/с- пропускная способность шины.

Микропроцессор i486.

Микропроцессор содержит более 1 млн. транзисторов.Микропроцессорный набор включает в себя следующие микросхемы: 80486 - быстродействующий 32- разрядный процессор; 82596СА - 32- разрядный сопроцессор LAN; 82320 - контроллер магистрали Micro Channel ( MCA ); 82350 - контроллер магистрали EISA и.т.д.

Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру внутреннюю кэш-память 8 КВ со сквозной записью (у DX4 -16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату) что позволяет поднять быстродействие практически в два раза так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 - 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы. По производительности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-60/66 причем быстродействие компьютеров на 486DX4-100 вплотную приближается к показателям Pentium 60. Напряжение питания составляет3 3 вольта то есть их нельзя устанавливать на обычные системные платы. 486DX4-100 в настольных системах. К сожалению Intel ограничивает поставки процессоров 486DX4-100 а цены на них установил на существенно более высоком уровне чем на Pentium 60 чтобы избежать конкуренции между собственными продуктами.

Микропроцессоры фирмы АМD.

Фирма AMD производит 486DX-40 486DX2-50 486DX2-66. Готовятся к выпуску процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120. Они обеспечивают полную совместимость со всеми ориентированными на платформу Intel программными продуктами и такую же производительность как и аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой частоте). Кроме того они предлагаются по более низким ценам а процессор на 40 MHz отсутствующий в производственной программе Intel конкурирует с 486DX-33 превосходя его по произ- водительности на20 процентов при меньшей стоимости.

Микропроцессоры фирмы Cyrix.

Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX и 486DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 MHz а также с удвоением частоты DX2-50 и DX2-66. Они имеют более быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной записью и более быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производительность выше чем у процессоров фирмы Intel по некоторымнесколько ниже. Соответственно существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix значительно ниже чем на Intel и AMD.

Для самых простых систем фирмой Texas Instruments продолжается выпуск дешевых но эффективных процессоров 486DLC которые занимая промежуточное положение между 386 и 486 семейством (они выполнены в конструктиве 386 процессора обеспечивают производительность на уровне 486 процессора при цене 386. Новая версия - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней кэш-памятью еще ближе приближается к характеристикам 486 семейства.

Микропроцессоры фирмы Моtorola серии МС680ХХ.

Это семейство содержит ряд 16 -разрядных микропроцессоров 32 -разрядные микропроцессоры : 68020 68030 68040. Модели микропроцессоров серии 680ХХ не совместимы по обьектным кодам с 8 -разрядными микропроцессорами серии МС68ХХ.

В 32 -разрядных микропроцессорах наряду с обеспечением совместимости с 16 -разрядными существенно расширены функциональные возможности : расширение режимов совместимости масштабирование в ряде режимов ( т.е умножение содержимого индексного регистра на 1 2 4 или 8 ) + 16 новых команд процессора и 7 команд сопроцессора. Основные характеристики : тактовая частота 16 20 30 25 40 ; разрядность АЛУ - 32 ; разрядность шин данных и адреса - 32.

На кристаллах МП отсутствует блок управления внешней оперативной памятью. Управление оперативной памятьюсо страничной организацией осуществляется с помощью микросхемы МС68851.

Отечественные микропроцессоры.

32 - разрядные микропроцессоры серии “ Электроника ” и СМ ЭВМ.

Основные архитектурные особенности : виртуальное адресное пространство ёмкостью 4 Гбайт; 32 -разрядное слово; 32 уровня прерывания ( 16 - векторных аппаратных и 16 програмных ); 21 режим адресации; инструкции переменного формата; поддержка совместимости с16 - разрядными моделями серии “ Электроника “.

Микропроцессоры типа транстьютеров.

Транстьютеры представляют собой микропроцессоры расчитанные на работу в мультипроцессорных системах с однотипными процессорами и аппаратную поддержку вычислительных процессов. Особенностью транстьютеров является наличие коммуникационных быстрых каналов связи каждий из которых может одновременно передавать по одной магистрали данные в процессор а по другой - данные из него. В составе команд транстьютеров имеются команды управления процессами поддержки инструкций языков высокого уровня. Транспьютеры главным образом применяются в качестве сопроцессоров ПЭВМ.

Транспьютеры фирмы INMOS.

Типичными транспьютерами являются модели Т414 и Т800.

Модель Т414 содержит 6 32-разрядных регистров три регистра стека счётчик команд регистр адреса рабочей зоны памяти регистр операнда.

Общее число команд МП равно 111 режимов адресации - 1 коммуникационных каналов связи - 4 скорость передачи по кождому каналу 20 Мбит/с.

Модель Т800 содержит дополнительно сопроцессор арифметических операций с плавающей точкой с быстродействием до 2 25 млн. опер.сек.

Системы програмирования транспьютеров в основном включают трансляторы с языков высокого уровня Паскаль Си Фортран.

Некоторые характеристики транспьютеров фирмы INMOS : разрядность - 32 скорость обработки данных - 40 Мбайт/с адресуемое пространство - 4 Гбайт.

Общий обзор структур характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров.

Cтруктуры различных типов МП могут существенно различаться однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура адресное пространство памяти разрядность шины данных быстродействие.

Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8- разрядной архитектурой а современные МП основаны на МП с 16 и 32- разрядной архитектурой.

Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой используется коивейерный метод выполнения команд при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров образуя 16-разрядную шину адресующую 68 Кбайт памяти. В 16-разрядные МП как правило используются 20-разрядные адресные регистры адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти.

Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных разрядность которой как правило совпадает с разрядностью внутренней шины данных определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую чем внутренняя шина и регистры данных. Например некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляот собой специальные модификации обычных 16 разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью.

Одним из важных параметров МП является быстродействие определяемое тактовой частотой его работы которая обычно задается внеш ними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0 4...33 МГц. Выполнение простейших команд (например сложение двух операндов изрегистров или пересылка операндов врегистрах МП ) требует минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и её выполнения ). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах а в памяти дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.

Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой но и набором его команд их гибкостью развитой системой прерываний.

Структуры характеристики и архитектуры некоторых микропроцессоров.

Микропроцессоры Alpha.

Технологическое решение способствующее повышению производительности процессора АХР 21064 Являются две раздельные кэш - памяти для команд и данных по 8 Кбайт каждая. Кроме того в этом чипе применён метод предсказания ветвления ( Branch Prediction ) который позволяет предсказывать возможные разветвления потоков конвейерной линии.

Основным примуществом этого процессора является его высокая тактовая частота обеспечиваемая особой структурой процессора.

Микропроцессоры ARM.

МП содержит АЛУ сдвигатель умножитель двадцать семь 32- разрядных регистров.

В МП реализован трехступенчатый конвейер (одна инструкция выполняется вторая -декодируется третья - считывается в памяти).

Страницы: 1 2