Курсовая работа архитектура микропроцессора процессор память ее виды достоинства и недостатки
Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры.
Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом.
В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.
В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Известны различные применения микропроцессоров. Важнейшими из них являются: автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, физическое и математическое моделирование, обработка результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и т.д.
Цель данной курсовой работы: рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- раскрыть основные понятия темы;
- дать общую схему классификации микропроцессоров;
- рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.
Данная курсовая работа выполнена на компьютере Intel Pentium IV c программным обеспечением Windows XP и Microsoft Office 2003.
I. Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК
I.1. Определение микропроцессора
Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый ЦПУ на одном чипе сверхбольшой интеграции удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров (см. историю вычислительной техники), в настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.
С начала 1970-х широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из-за утечек тока и других факторов [1].
Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II — были реализованы на нескольких микросхемах).
В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.
80286: 16-битный microprose
В основном это microprose, является расширенной версией 8086. Поэтому перед тем, как понять 80286, нужно иметь минимальные представления о 8086. Intel 8086 - это 16-битный микропроцессор, предназначенный для использования в качестве ЦП в микрокомпьютерах. Термин 16 бит означает, что его арифметическая логическая единица, внутренние регистры, инструкции предназначены для работы с 16-битными двоичными кодами. Имеет 20-битную адресную шину и 16-битная шину данных. Таким образом, это означает, что он может обращаться к любому из 1048576 ячеек памяти и может считывать данные или записывать данные в память и порты по 16 или 8 бит за раз.
Архитектура микропроцессора 80286 специально разработана для многопользовательской и многозадачной системы. Она имеет четыре уровня защиты памяти и поддерживает операционную систему. Производительность его более чем в два раза выше за такт, чем у предшественников Intel 8086/8088. Сложные математические операции занимают меньше тактов по сравнению с 8086. Он устраняет мультиплексирование шин и имеет линейную адресную шину с 24 адресными строками, которая может напрямую передавать 16 Мбайт памяти. Это поддерживается модулем управления памяти, и через него он может отдавать 1 Гбайт памяти, также известную как виртуальная. Процессор включает в себя различные встроенные механизмы, которые могут защитить системное ПО от пользовательских программ и ограничить доступ к некоторым областям памяти.
Есть два режима работы для 80286. Режим реального адреса и режим защищенного виртуального адреса. В основном в этом режиме один пользователь не мешает другому. Также они не могут вмешиваться в операционную систему. Эти функции называются защитой. 80286 содержит четыре блока обработки:
- Блок шины.
- Блок инструкции.
- Блок исполнения.
- Блок адреса.
Пока выполняется текущая инструкция, BU предварительно выбирает команду s и сохраняет ее в очередь из шести байтов. Функция U является расшифровать отточенные инструкции и сохранить очередь из трех декодированных инструкций. Блок адреса вычисляет адрес памяти или устройств ввода/вывода, который должен быть отправлен для чтения и операции записи. Все четыре блока работают параллельно внутри процессора. Эта реализация предсказания переходов в архитектуре микропроцессоров называется конвейерной.
Следующий направления эволюции это микропроцессор 80386 - первая 32-разрядная машина Intel. Благодаря своей архитектуре она смогла конкурировать со сложностью и мощью микрокомпьютеров и мэйнфреймов, представленных несколькими годами ранее. Это был первый процессор, который поддерживал многозадачность и содержал 32-битный защищенный режим. В ней реализована концепция подкачки. Она имеет адресуемую физическую память объемом 4 ГБ и ширину передачи данных 32 бита.
Эволюция Intel x86
Архитектура Intel x86 развивалась годами. От 29 000 транзисторных микропроцессоров 8086 четырехъядерный процессор Intel Core 2 содержит 820 миллионов транзисторов, в связи с чем организация и технология производства кардинально изменились.
Некоторые из основных моментов развития архитектуры x86:
80486: технология кеширования
Позже в 1989 году на рынок вышел микро 80486 и представил концепцию технологии кеширования и конвейерную обработку команд. Он содержал функцию защиты от записи и предлагал встроенный математический сопроцессор, который выполняет сложные операции из основного процессора.
Разновидности микро 4 поколения:
Основные понятия
Микропроцессор — это программно–управляемое устройство в виде интегральной микросхемы (БИС или СБИС), предназначенное для обработки цифровой информации. Поскольку все современные микропроцессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.
Микроконтроллер— это специализированный процессор, предназначенный для реализации функций управления (control— управление).
Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор. Это понятие объединяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и кончая компьютерными системами, представляющими собой набор отдельных конструктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и др.). В дальнейшем рассматриваются простейшие (однокристальные) микропроцессорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие микропроцессорные системы можно отнести к классу микропроцессоров.
Под организацией процессора понимают совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характеристики. Организация определяет аппаратную организацию процессора, т. е. состав и взаимодействие его аппаратных средств. Выделяют два уровня организации:
● физическую организацию в виде принципиальной схемы;
● логическую организацию в виде структурно–функциональной схемы.
В дальнейшем рассматривается организация микропроцессоров на логическом уровне, или структурно–функциональная организация процессоров.
Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно–аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой информации (выполнение программы), т. е. совокупность всех средств, доступных программе (или пользователю). Это более общее понятие по сравнению с понятием организация включает в себя набор программно–доступных регистров и операционных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и организацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, прерывания, примой доступ к памяти и др.).
Базис 486-го устройства
Понятие архитектур, на какие делятся микропроцессоры, является комплексным и включает в себя такие элементы, как структурная схема, средства доступа, разрядность интерфейсов, формат данных и прерываний.
Важные дополнительные особенности 486 процессора по сравнению с 386 заключаются в следующем:
- Встроенный математический сопроцессор. В системе 386 математика реализована на внешнем устройстве, следовательно, такие инструкции в 486 выполняются в три раза быстрее.
- 8 Кбайт кода и кэш-память данных на чипе.
- Высококонвейерное исполнение.
- Исполнительный блок.
- Устройство управления.
- Блок интерфейса шины.
- Блок предварительной выборки кода.
- Блок декодирования команд.
- Сегментация n-единиц измерения.
- Пейджинговый блок.
- Блок кэша.
- Блок с плавающей точкой.
- Блок предварительной выборки кода содержит 32-байтовую очередь для хранения извлеченных кодов команд.
- Блок управления также содержит ПЗУ управления для хранения микрокодов. Адрес, указанный в программе, называется логическим адресом. Он также обеспечивает 4 уровня защиты для изоляции и защиты задач и операционной системы друг от друга.
- Масштабируемая архитектура микропроцессора — понятие подразумевает работу в окнах.
- Модуль поискового вызова обеспечивает вызов объекта в пределах сегмента.
- Физический адрес. Фактические емкости RAM и ROM, существующие в компьютере, известны как физическая память.
- Сегментация и пейджинговый блок представляет собой блок управления памятью.
Преимущества и недостатки
По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить основные виды из классификации архитектур микропроцессоров: RISC и CISC. Преимущества архитектуры RISC в том, что она имеет набор инструкций, поэтому высокоуровневые языковые компиляторы могут создавать более эффективный код. Это позволяет свободу использования пространства на микропроцессорах из-за простоты. Многие процессоры RISC используют регистры для передачи аргументов и хранения локальных переменных. Функции используют только несколько параметров, и процессоры не могут использовать инструкции вызова и, следовательно, используют метод фиксированной длины, которую легко транслировать.
Скорость операции может быть максимизирована, а время выполнения может быть минимизировано. Требуется меньшее количество форматов обучения, несколько номеров инструкций, несколько режимов адресации и хорошая масштабируемость. Понятие масштабируемая архитектура микропроцессора подразумевает использование регистровых окон, обеспечивающий удобный механизм передачи параметров между программами и возврата результатов. Подобный механизм реализован в SPARC.
Недостатки архитектуры RISC вызваны тем, что в основном производительность процессоров RISC зависит от программиста или компилятора, поэтому знание компилятора играет жизненно важную роль при изменении кода CISC на код RISC. При перестановке CISC в код RISC, называемый расширением кода, будет увеличиваться размер. И качество этого расширения будет снова зависеть от компилятора, а также от набора команд машины. Кэш первого уровня процессоров RISC также является недостатком. Эти процессоры имеют большую кэш память на самом чипе. Для подачи инструкций им требуются очень быстрые системы памяти.
Преимущества архитектуры CISC - простота микрокодирования новых инструкций - позволила разработчикам сделать машины CISC более совместимыми. По мере того как каждая становилась совершеннее, для реализации задач можно было использовать меньше количество инструкций.
Недостатки архитектуры CISC:
- Производительность машины замедляется из-за того, что время, затрачиваемое различными инструкциями, будет разным.
- Только 20 % существующих инструкций используется в типичном событии программирования, хотя в действительности существуют различные специализированные инструкции, которые часто не используются.
- Коды условий устанавливаются инструкциями CISC как побочный эффект каждой команды, которая требует времени для этой установки, и поскольку последующая команда изменяет биты кода состояния, компилятор должен проверить биты кода условия, прежде чем это произойдет.
Таким образом, можно подвести черту, что архитектура набора команд — это среда, обеспечивающая связь между программистом и оборудованием. Часть исполнения и копирование данных, удаление или редактирование — это пользовательские команды для конкретного вида архитектур микропроцессоров.
Блоки RISC
RISC расшифровывается как компьютер с сокращенным набором инструкций и представляет собой тип стратегии проектирования архитектурного процессора. Архитектура микропроцессора RISC относится к способу планирования и сборки процессора и может иметь отношение либо к аппаратному обеспечению, либо к программному, наиболее близкому к кремнию, на котором он работает. Архитектура набора инструкций (ISA) определяет базовое программное обеспечение.
Аппаратная архитектура компьютера требует код, который разбивает инструкции на 0 и 1 и который ПК может понять, также известный как машинный код. Архитектура процессора может быть совершенно другой, и программное обеспечение ISA будет отражать это. Разницу между ними можно найти в том, как выполняются задачи, например, по обработке регистров, прерыванию, адресации памяти, внешних входов и выходов.
Другими словами, машинный код для одной не будет работать на другой. Например, настольная версия Windows не будет работать на смартфоне, поскольку архитектура отличается. Хотя Microsoft поощряет возможное объединение в одну ОС для настольных компьютеров, ноутбуков и планшетов, начиная с введения Windows 8.
Существует несколько типов процессорных архитектур и соответствующих ISA. Некоторые примеры RISC - это ARM, MIPS, SPARC и PowerPC. Современные процессоры сильно интегрированы и работают быстрее, поэтому наборы команд RISC становятся все более сложными, чтобы использовать преимущества усовершенствованной технологии.
I.2. классификация микропроцессоров
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.
По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.
Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).
Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.
По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ.
I.3. Структура микропроцессора
Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления .Собственно говоря, процессор в компьютере не один — их может быть целый десяток! Собственным процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить с главным, Центральным Процессором. Но в отличие от него, все они являются узкими специалистами — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.
Основное и главное отличие центрального процессора — это его универсальность. При желании (и, разумеется, при наличии необходимой мощности и соответствующего программного обеспечения) центральный процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеоплаты при всем желании не сможет раскодировать, скажем, музыкальный файл.
Любой процессор — это выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор именуется «камнем»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов — транзисторов, соединенных металлическими мостиками-контактами. Именно они и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация.
Безусловно, один транзистор никаких особых вычислений произвести не может. Единственное, на что способен этот электронный переключатель — это пропустить сигнал дальше или задержать его, в зависимости от подаваемого на его «затвор» напряжения. Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие — логический же ноль (нет).
Однако процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств [4, с.38]. В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:
- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
- получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.
3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора [5]. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах [3, с.80].
4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб [4, с.38].
5. Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
- Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
- Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).
- Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера [3, с.80].
Трудно поверить, что все эти устройства размешаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже приходит медь) [4, с.38].
I.4. Основные характеристики микропроцессоров ПК
Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.
Рассмотрим характеристики процессоров более подробно.
1. Тип микpопpоцессоpа.
Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:
- компьютеры класса XT;
- компьютеpы класса AT;
- компьютеpы класса 386;
- компьютеpы класса 486;
- компьютеpы класса Pentium.
2. Тактовая частота микpопpоцессоpа - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
3. Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу вpемени (опеpации/секунда).
4. Разpядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, котоpые могут обpабатываться или пеpедаваться одновpеменно.
5. Аpхитектуpа микpопpоцессоpа.
Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.
В соответствии с аpхитектуpными особенностями, опpеделяющими свойства системы команд, pазличают:
- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др. [6, с.32]
Заключение
ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.
В данной работе объектом изучения послужили микропроцессоры ПК. Были раскрыты основные понятия, используемые в выбранной теме; дана классификация микропроцессоров и краткая характеристика их элементов; рассмотрена структура и основные характеристики микропроцессоров ПК.
Успехи, достигнутые за время существования микропроцессора, четверть века назад невозможно было и вообразить. Если так будет продолжаться и впредь, то, вполне возможно, с каждым годом микропроцессоры будут повышать работу своих частот. Трудно себе даже представить, насколько возросшая мощь процессоров расширит сферу их применения, причем не только в бизнесе и в области коммуникаций. Как дома, так и на рабочих местах возникнет новая информационная среда, откроются невиданные ранее возможности.
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями – нано-технологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.
II. Практическая часть
II.1. Общая характеристика задачи
Наименование задачи: «Расчет амортизации»
Условие задачи: В бухгалтерии предприятия ООО «Александра» рассчитываются ежемесячные отчисления на амортизацию по основным средствам. Данные для расчета начисленной амортизации приведены на рисунке 1.
- Построить таблицы по приведенным ниже данным.
- Выполнить расчет начисленной амортизации в каждом месяце и остаточной стоимости основных средств на конец месяца.
- Организовать межтабличные связи для автоматического формирования сводной ведомости по начисленной амортизации.
- Сформировать и заполнить сводную ведомость начисленной амортизации по основным средствам за квартал.
- Результаты изменения первоначальной стоимости основных средств на конец квартала представить в графическом виде.
Ведомость расчета амортизационных отчислений за январь 2006 г.
Архитектура микропроцессоров.
Эта глава посвящена архитектурным особенностям микропроцессоров. В ней приведены общие сведения о микропроцессорах, рассматриваются принципы структурно – функциональной организации) типы данных, регистровая память, способы адресации и система команд микропроцессоров. Излагаемый материал иллюстрируется на простейших 8– и 16–разрядных процессорах.
Недостатки гарвардской архитектуры
Усложнение конструкции из–за использования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем памяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из–за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтроллерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных.
В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.
Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в структуру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.
Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн.
Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.
В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера.
Основой персонального компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков.
2. История развития микропроцессоров
В 1959 году инженеры фирмы "Texas Instruments" разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой - родилась первая интегральная микросхема (ИМС). По сравнению с теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п., ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширялся. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительно большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.
Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя. микропроцессор память персональный компьютер
История создания самого первого в мире микропроцессора интересна и достаточно поучительна. Летом 1969 года японская компания "Busicom", разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму "Intel". К тому времени "Intel" просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме "Busicom" как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы "Intel" М.Хофф. Он познакомился с разработками "Busicom" и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную - микропроцессор. Проект Хоффа победил, и фирма "Intel" получила контракт на производство первого в мире микропроцессора.
Особо подчеркнем, что для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр 8 и 9), поэтому "Intel 4004" был четырехразрядным процессором.
Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной технике. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!) Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, 8080 - 4800, "Intel 80486" - около 1,2 миллиона, а современный Pentium - около 3-х миллионов!
История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. В создании процессорных микросхем фирма "Intel" по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, "Pentium") являются "мозгом" значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры.
Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы "Motorola": ее изделия работают в известных компьютерах "Apple", а также в более простых - "Atari", "Commador", "Amiga" и др. Процессоры "Motorola" ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией "Intel". Но на стороне последней - гигантские производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами.
В 1993 году фирма "Motorola" совместно с "IBM" и "Apple" разработала новый процессор PowerPC. Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем - он может эмулировать работу компьютеров и Apple, и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров.
Завершая, попробуем определить некоторые наиболее новые направления развития МП в ближайшем будущем.
Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ.
Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным количеством команд). Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор PowerPC. Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства Intel достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП.
И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 Кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время прежде чем они смогут быть практически реализованы. Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрыватели, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многое-многое другое. Очевидно, что количество таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать.
3. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации.
Адресное пространство МП состоит из множества ячеек памяти ОЗУ, из которых он может брать информацию или засылать ее. Как говорилось выше, начиная с 4-ого поколения доминирует байтовая организация памяти, и минимально адресуемой единицей является байт. Например, для ОЗУ емкостью 1024 Кбайта адреса байтов таковы: 00000 00001 . . . FFFFF (как принято, записываем их в 16-ричной системе; адрес последнего байта есть 1024*1024 - 1 = 520 - 1 = FFFFF). Длина же ячейки ("машинного слова") может быть, как один, так и несколько байт в зависимости от типа процессора и команды, обрабатывающей соответствующую информацию.
При обмене информацией с памятью процессор обращается к ячейкам ОЗУ по их номерам (адресам). Способы задания требуемых адресов в командах ЭВМ принято называть методами адресации. От видов и разнообразия методов адресации существенно зависит эффективность работы программы с данными, особенно если последние организованы в определенную структуру.
Для того, чтобы процессор мог извлечь данные из ячейки ОЗУ или поместить их туда, необходимо где-то задать требуемый адрес. Если адрес находится в самой команде, то мы имеем дело с прямой адресацией. Поскольку при подобном способе слишком сильно возрастает длина команды, то, чтобы избежать этого неприятного эффекта, при обращении к ОЗУ процессор использует метод косвенной адресации. Идея состоит в том, что адрес памяти предварительно заносится в один из регистров МП, а в команде содержится лишь ссылка на этот регистр. Если учесть, что при хранении адреса в регистре его еще очень удобно модифицировать (скажем, циклически увеличивая на заданную величину), становится понятным, почему косвенная адресация нашла такое широкое применение.
Приведем описание наиболее распространенных вариантов ссылок на исходную информацию. Учитывая, что терминология для разных МП может отличаться, названия методов адресации не приводятся.
1. Данные находятся в одном из регистров МП.
2. Данные входят непосредственно в состав команды, т.е. размещаются после кода операции (операции с константой).
3. Данные находятся в ячейке ОЗУ, адрес которой содержится в одном из регистров МП.
4. Данные находятся в ячейке ОЗУ, адрес которой вычисляется по формуле:
адрес = базовый адрес + смещение.
Базовый адрес хранится в одном из регистров МП и является начальной точкой массива данных. Смещение может быть, как некоторой константой, так и содержимым другого регистра. Часто такой способ доступа к ОЗУ называют индексным, т.к. это похоже на нахождение элемента в одномерном массиве по его индексу.
Следует подчеркнуть, что здесь описаны лишь наиболее общие методы адресации. У конкретных моделей МП существует некоторые особенности адресации ОЗУ. Кроме того, имеющиеся методы адресации могут комбинироваться между собой. Так, например, в процессорах семейства PDP возможна двойная косвенная адресация: данные хранятся в ячейке ОЗУ, адрес которой хранится в ячейке, адрес которой находится в указанном регистре (как тут не вспомнить детский стишок о синице, которая ворует пшеницу, которая в темном чулане хранится, в доме, который построил Джек?).
Методы адресации могут быть и более экзотическими. Рассмотрим, например, широко распространенный сегментный способ, принятый в процессорах фирмы Intel. Известный американский программист Питер Нортон метко назвал этот способ словом "клудж" (от английского "kludge" - приспособление для временного устранения проблемы). Сегментный метод адресации был предложен для первого 16-разрядного МП 8086 для того, чтобы, используя 16-разрядные регистры, можно было получить 20-разрядный адрес и тем самым расширить максимально возможный объем ОЗУ с 64 Кбайт до 1 Мбайта. Суть метода состоит в том, что адрес ОЗУ вычисляется как сумма двух чисел (сегмента и смещения), причем одно из них сдвинуто влево на 4 двоичных разряда, т.е. умножено на 16. Пусть, например, сегмент в шестнадцатеричном виде равен А000, а смещение - 1000. Общепринятая запись такого адреса имеет вид А000:1000.
Такой способ адресации более 64 Кбайт памяти кажется довольно странным, однако он работает", - не без некоторой иронии замечает по этому поводу Питер Нортон.
Добавим, что помимо всего прочего, при сегментной адресации один и тот же адрес ОЗУ может быть представлен несколькими комбинациями чисел (в самом деле, одну и ту же сумму можно получить разными способами).
К счастью, современные интеловские процессоры, начиная с 80386, стали 32-разрядными и их регистров хватает, чтобы адресовать до 4 Гбайт памяти. Сегментный способ при этом становится излишним, хотя и сохраняется как вариант ради обеспечения программной совместимости с предыдущими моделями.
4. Форматы данных.
Почти каждая команда процессора нацелена на обработку данных, местонахождение которых определяется значениями адресов операндов. Для понимания работы процессора существенно представлять, какого рода данные он может обрабатывать.
Если в ходе исполнения программы ее остановить, прочитать содержимое какой-нибудь ячейки памяти ОЗУ, к которой в это мгновение обращается процессор, и попытаться понять, что именно хранится в этой ячейке, то это чаще всего невозможно сделать не расшифровав код выполняемой операции - сам по себе хранимый в ячейке двоичный код может быть и числом, и командой, и кодом символа, и чем-то еще. Все дело в том, как его интерпретирует работающая с ним команда.
Перечислим некоторые форматы данных, типичные для 16-и разрядной ЭВМ.
Каждое такое число занимает 1 байт и воспринимаются процессором как целые положительные числа. Следовательно, диапазон представимости чисел в этом формате от 00000000 до 11111111, т.е. от 0 до FF в 16-ричной системе (от 0 до 255 в десятичной).
В этом случае величина числа задается семью битами, а значение старшего бита определяет знак числа (0 - положительное, 1 - отрицательное). В этом формате код 01101011 означает число +6B. Однако, код 11101011 не означает, как можно подумать, число -6B, т.к. для кодирования отрицательных чисел применяется т.н. дополнительный код. Он образуется следующим образом:
· найденный код инвертируется, т.е. в нем нули заменяются на единицы и наоборот;
· к полученному коду арифметически прибавляется 1.
Например, процесс получения дополнительного кода десятичного числа -75 таков: 01001011 010110100 010110101.
Использование дополнительного кода облегчает организацию арифметических действий в процессоре (который, как правило, не имеет даже аппаратно реализованной операции вычитания - все надо сводить к сложению целых чисел).
Обратная процедура - восстановление значения числа по дополнительному коду - такова: инверсия дополнительного кода - арифметическое прибавление единицы - получен модуль отрицательно числа, представленного данным кодом.
Диапазон представимости чисел в этом формате - от -128 до +127.
16-и битовые целые числа со знаком и без знака
В этом формате двоичный код интерпретируется обрабатывающей его командой как код символа. При работе с персональными ЭВМ обычно используется система кодирования ASCII, о которой говорилось в другом месте. В ней стандартизированы (закреплены за определенными символами) коды, у которых значение старшего бит а равно 0; все прочие коды остаются за символами национальных алфавитов и дополнительными специальными символами.
5. Заключение:
Число персональных компьютеров как в мире, так и, в частности, в России стремительно растет; рынок ПК - самый перспективный и доходный среди остальных рынков вычислительной техники. В северной Америке и Западной Европе процент семей, имеющих ПК, приближается к 30. Без сомнения, в наши дни каждый должен изучить и понять компьютер не только теоретически, но, что наиболее важно, и практически.
Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого компьютера. Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в частности персональных.
Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности, модульности, микропрограммируемостью.
Не следует надеяться, что развитие вычислительной техники как-то кардинально изменит наше существование. Компьютер не более (но и не менее) чем один из мощных двигателей прогресса (как энергетика, металлургия, химия, машиностроение), который берет на свои "железные плечи" такую важную функцию, как рутину обработки информации. Эта рутина всегда и везде сопровождает самые высокие полеты человеческой мысли. Именно в этой рутине очень часто тонут дерзкие решения, недоступные компьютеру. Поэтому так важно " свалить" на компьютер рутинные операции, чтобы освободить человека для его истинного предназначения-творчества.
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нано технологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.
Микропроцессор состоит из нескольких блоков, соединенных между собой, каждый из них выполняет определенную функцию. Проект и взаимосвязь этих блоков называется архитектурой. Скорость, с которой компьютер может читать инструкции и выполнять соответствующие вычисления, определяется рабочей частотой микропроцессора. Производители добились больших успехов в разработке архитектуры, что позволяет компьютерам все меньше зависеть от частоты, то есть микро с низкими частотами и скоростями могут выполнять больше вычислений и задач. В процессе эволюции архитектуры микропроцессора она превратилась из одноядерной в многоядерную, способную обрабатывать несколько частей информации одновременно.
История поколений микропроцессора
Компания Fairchild Semiconductor (Ярмарка детских полупроводников), основанная в 1957 году изобрела свою первую интегральную схему в 1959 году, которая ознаменовала начало истории микропроцессоров. В 1968 году Гордан Мур, Роберт Нойс и Эндрю Гроув ушли с Ярмарки детских полупроводников и основали собственную компанию: Integrated Electronics (Intel). В 1971 году компания изобрела первый Intel 4004.
Сегодня существует несколько поколений архитектур микропроцессоров:
Основные виды архитектур
По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить:
● CISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer— CISC). Она реализована во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.
Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать несколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени сложности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.
Конструкция центрального процессора
Архитектура микропроцессора имеет множество периферийных устройств, изготавливаемых на одном кристалле. Он имеет ALU (арифметико-логический блок), блок управления, регистры, шинные системы и часы для выполнения вычислительных задач.
Микропроцессор представляет собой единый пакет микросхем, в котором ряд полезных функций интегрирован и изготовлен на одном кремниевом полупроводниковом чипе. Его архитектура состоит из центрального процессора, модулей памяти, системной шины и блока ввода/вывода. Системная шина соединяет различные блоки для облегчения обмена информацией. Кроме того, он состоит из шин данных, адресов и управления для надлежащего обмена данными, с чем связано глубинное понятие архитектуры микропроцессора.
Центральный процессор состоит из одного или нескольких арифметико-логических блоков (АЛУ), регистров и блока управления. На основании регистров также можно классифицировать номер поколения. АЛУ вычисляет все арифметические, а также логические операции над данными и определяет размер микропроцессора, например, 16-битный или 32-битный.
Блок памяти содержит программу, а также данные, и разделен на процессор, первичную и вторичную память. Блок ввода и вывода соединяет аналогичные периферийные устройства связи с микропроцессором для приема и отправки информации.
Типы micro в системах
Существует несколько типов архитектур микропроцессоров, доступных для использования в различных системах:
- Совместные процессоры. Это дополнительный микропроцессор, работающий рядом с основным. Он спроектирован и оптимизирован для использования в конкретной задаче и повышает скорость обработки за счет одновременной работы с основным. Примером этого может быть математический сопроцессор или ускоритель с плавающей запятой.
- Скалярный процессор выполняет вычисления для одного числа или набора данных за один раз, он установлен в большинстве современных компьютеров и известен как однопотоковый с одним потоком команд или, для краткости, SISD.
- Массив ЦП архитектуры современного микропроцессора, также известный как векторный, позволяет одной инструкции одновременно работать в нескольких точках данных. Он известен как SIMD-процессор с одной командой множественных данных, широко используется при прогнозировании погоды и моделировании воздушного потока.
- Параллельный процессор использует независимые микро для работы над одной и той же программой. Рассматриваемый процесс разбит на задачи, каждая из которых может быть обработана любым из них. Все они координируются сложной операционной системой. Программы должны быть специально написаны для параллельной обработки, в противном случае некоторые не смогут быть завершены, пока не закроются другие, зависящие от результата текущего процесса.
Микропроцессоры подразделяются на пять типов: CISC-Complex Instruction Set, микропроцессор RISC сокращенного набора команд, специализированная интегральная схема ASIC, суперскалярные процессоры и цифровые сигнальные микропроцессоры DSP.
Эти процессоры используются для кодирования и декодирования видео или для преобразования ЦАП (цифро-аналоговый) и А/Ц (аналого-цифровой). Им нужен микропроцессор, который превосходен в математических вычислениях. Микросхемы этого процессора используются в RADAR, домашних кинотеатрах, SONAR, аудиосистемах, телевизионных приставках и мобильных телефонах.
Недостаток принстонской архитектуры
Использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;
● гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных (рис. 2.1.2). Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требованиями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры.
CISC архитектура
Для того чтобы ответить на вопрос, что понимают под архитектурой микропроцессора CISC, нужно рассмотреть подход CISC к количеству выполняемых инструкций. Ее главная задача в этом вопросе — минимизация объема на программу, жертвуя при этом количеством циклов. Компьютеры на основе архитектуры CISC предназначены для снижения стоимости памяти. Крупные программы нуждаются в большем объеме памяти, что увеличивает стоимость. Чтобы решить эти проблемы, количество команд на программу может быть уменьшено путем вложения множества операций в одну инструкцию, тем самым делая ее более сложной.
MUL загружает два значения из памяти в отдельные регистры в CISC. Микропроцессор использует минимально возможные инструкции при реализации аппаратного обеспечения и выполняет операции.
Основные ключевые слова, использованные в приведенной архитектуре:
- Набор инструкций — группа инструкций для выполнения программы, которая направляет компьютер, манипулируя данными. Форма: код операции (операционный код) и операнд. Операции — это инструкция, применяемая для загрузки и хранения данных. Операнд — это регистр памяти.
- Режимы адресации — это способ доступа к данным. В зависимости от типа применяемой команды режимы адресации бывают разных типов, такие как прямой режим, когда осуществляется доступ к прямым данным, или косвенный режим, где осуществляется доступ к расположению данных.
- Производительность процессора задается основным законом и зависит от количества команд, CPI (циклов на команду) и времени тактового цикла.
Развитие традиционных CISC
Архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и снижение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей устранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выполнения;
● RISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокращенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). Появление RISC –архитектуры продиктовано тем, что многие CISC –команды и способы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из небольшого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процессора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на программном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости исполнения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказаться выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.
Современные RISC –процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наиболее простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).
Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC –процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC–процессорах всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC–процессорах используется только в операциях загрузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет сокращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схем RISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных
CI SC –процессорах (последние модели Pentium и К7) используется RISC–ядро. При этом сложные CI SC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро выполняются RISC–ядром;
● VLIW–архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (Very Large Instruction Word— VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW –команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW – koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня.
По способу организации выборки команд и данных различают два вида архитектур:
● принстонская архитектура, или архитектура фон–Неймана, особенностью которой является (рис. 2.1.1) использование:
• общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;
• общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров (рис. 2.1.1). Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены во времени.
Вехи создания Intel Celeron и Pentium
Intel Celeron был представлен в апреле 1998 года и относится к ряду процессоров Intel X86 для персональных ПК. Он основан на Pentium 2 и может работать на всех компьютерных программах IA-32.
История Intel Celeron:
- 4 /01/2000 - Intel Celeron 533.0 МГц;
- 14/02/2000 - мобильный Intel Celeron 450/500 МГц;
- 19/06/2000 - мобильный Intel Celeron низкого напряжения, 500.0 МГц;
- 3/01/2001 - Intel Celeron, 800 МГц;
- 2001 - Intel Celeron (1,2 ГГц);
- 2002 - архитектура микропроцессора Intel Celeron (1.3, 2.10, 2.20 ГГц);
- 2003 - мобильный процессор Intel Celeron 2/ 2.55 ГГц.
- 2004- Intel Celeron M 320 и 310 (1,3, 1,2 ГГц);
- 2008 - Celeron Core 2 DUO (Аллендейл).
Pentium был представлен 2 марта 1993 года. Он сменил архитектуру микропроцессора Intel 486, цифра 4 указывает на микроархитектуру четвертого поколения в истории микропроцессоров. Pentium относится к одноядерному Intel x 86, который основан на архитектуре пятого поколения. Название этого процессора произошло от греческого слова penta, что означает "пять".
Первоначальный процессор Pentium был заменен на Pentium MMX в 1996 году и имеет шину данных 64 бит. Стандартный одиночный цикл передачи может считывать или записывать до 64 бит одновременно. Циклы чтения и записи Burst поддерживаются процессорами Pentium. Они используются для операций кэширования и передачи 32 байтов (размер строки кэша Pentium) за 4 такта. Все операции с кэшем являются пакетными циклами для него.
Читайте также: