Новейшие микропроцессорные технологии

     Содержание 

Введение 

1. Функции, параметры и производительность микропроцессоров

1. Функции микропроцессоров
2. Параметры микропроцессоров
3. Производительность микропроцессоров

2. Сравнительные характеристики

3. Поколения процессоров Intel

Заключение 

Библиографический список  

 

      Введение 

     Важнейший компонент любого персонального  компьютера - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени  определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel.

     Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную  в едином полупроводниковом кристалле  и способную выполнять функции  центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы называют чипами (chips).

     К обязательным компонентам микропроцессора  относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).

     Под конвейерным режимом понимают такой  вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводится в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

     С внешними устройствами микропроцессор может «общаться» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий. Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным.

     Регистр представляет собой совокупность бистабильных устройств ( то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации.

     Порт  - это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.

     Под прерыванием понимается сигнал, по которому процессор узнаёт совершении некоторого асинхронного события. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в место неё начинает выполнятся другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры), логические возникают при работе самого микропроцессора (деление на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на определение прерывания) микропроцессор не обращает на них внимание, и немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти).

     В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя).

     Довольно  часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д. используется шестнадцатеричная  система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква ‘h’ (hexadecimal). 

 

      1. Функции, параметры и производительность микропроцессоров 

     Наиболее  важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные  платы и интерфейсы.

     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.  

     

1. Функции микропроцессоров

 

     Микропроцессор выполняет следующие функции:

• вычисление адресов команд и операндов;
• выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• выборку данных из ОП, регистров 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 регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
• переход к следующей команде.

 
     

2. Параметры микропроцессоров

 

     Основными параметрами микропроцессоров являются:

• разрядность;
• рабочая тактовая частота;
• размер кэш-памяти;
• состав инструкций;
• конструктив;
• рабочее напряжение и т. д.

     Разрядность шины данных микропроцессора 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, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

     Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет  два уровня:

     L1 - память 1-го уровня, находящаяся  внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на  полной частоте МП (впервые кэш  L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);

     L2 - память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный 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 классификационная  группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно  те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться 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 i386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

     Конструктив подразумевает те физические разъемные  соединения, в которые устанавливается  МП и которые определяют пригодность  материнской платы для установки  МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

     Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы  для установки МП.

     Первый  микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее  время разными фирмами выпускается  много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными  являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные. 

     

3. Производительность  процессора

 

     До  недавнишнего времени основной мерой  производительности микропроцессоров (да и компьютеров) считалась их тактовая частота работы, и это было, вообще говоря, справедливо. Однако по мере усложнения архитектуры микропроцессоров (RISC - ядро, встроенная кэш-память, технология внутреннего умножения тактовой частоты) данный параметр работы устройств, хотя и остаётся важным показателем их производительности, уже не является определяющим. Именно этим можно объяснить, например, тот факт, что микропроцессор i486SX-25 производительнее i386DX-33.

     В 1992 году фирма Intel предложила индекс для оценки производительности своих микропроцессоров - iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Сам индекс представляет из себя число, которое отражает относительную производительность данного устройства по сравнению с другими микросхема семейства х86 и Pentium. Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Заметим, что новый индекс не заменяет известные тестовые программы (benchmark) уже хотя бы потому, что измеряет относительную производительность микропроцессора, а не системы в целом. Кстати говоря, при вычислении индекса iCOMP учитываются операции со следующими «взвешенными» компонентами (числами): 16-разрядные целые (67%),16-разрядные действительные (3%), 32-разрядные целые (25%), 32-разрядные действительные (5%). К слову, именно величина производительности с индексом iCOMP использовалась фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium, например 735\90 и 815\100 для тактовой частоты 90 и 100 МГц. Следует, однако, учитывать, что в реальных системах может наблюдаться другое соотношение производительности процессоров. Связанно это как с особенностями конкретных системных плат, так и, в случае с Pentium, с тем, что для достижения максимальной производительности требуется оптимизация программных кодов. 

 

      2. Сравнительные характеристики микропроцессоров 

     В таблице 1 приведено сравнение характеристик современных микропроцессоров. Таблица составлена по данным, опубликованным на веб-серверах производителей, по состоянию на ноябрь 2003 года.

     * FLOP = операций с плавающей точкой  за такт.

     ** Лучшие результаты тестов SPECint2000 и SPECfp2000 для однопроцессорных  конфигураций. Результаты были взяты  с сервера www.spec.org

     *** Максимальное потребление электроэнергии. 
 

 

     

     Таблица 1 – Сравнительная характеристика современных микропроцессоров

Процессор	Тактовая частота	FLOP *	Кэш данных	Кэш команд	Кэш-память L2	Частота системной  шины	SPECint **	SPECfp **	Ватт ***
Intel Pentium 4	1.3-3.2 ГГц	2	8 КБ	12 КБ	256-512 КБ на  чипе	400-800 МГц	1620	1494	82 Вт
Intel Itanium	733, 800 МГц	4	16 КБ	16 КБ	96 КБ	266 МГц	365	701	116-130 Вт
AMD Athlon XP	1.333-2.2 ГГц	3	64 КБ	64 КБ	512 КБ на чипе	400 МГц	1080	982	60-68 Вт
AMD Athlon MP	0.85-2.133 ГГц	3	64 КБ	64 КБ	256 КБ на чипе	266 МГц	781	656	46.1-54.7 Вт
Sun UltraSPARC III	600-1200 МГц	2	64 КБ	32 КБ	до 16 МБ внешней	150 МГц	722	1118	70 Вт @ 750 МГц
IBM PowerPC 750FX	0.9-1 ГГц	1	32 КБ	32 КБ	512 КБ на чипе	200 МГц			5.7 Вт @ 900 МГц
SandCraft SR71000	500-800 МГц	2	32 КБ	32 КБ	512 КБ на чипе	133 МГц			4 Вт @ 600 МГц
Alpha 21264	0.5-1 ГГц	2	64 КБ	64 КБ	до 8 МБ	200 МГц	679	960	90 Вт @ 750 МГц
IBM Power 4	1.1-1.3 ГГц	4	32 КБ	64 КБ	от 0.5 до 16 МБ	400 МГц	814	1169
HP PA-8700	650, 750 МГц	4	0.75 МБ	1.5 МБ	нет		569	581	12.5 Вт
SPARC64 GP	400-675 МГц	2	128 КБ	128 КБ	8 МБ внешней		478	509
AMD Opteron	1.4-2 ГГц	2	64 КБ	64 КБ	1 МБ		1335	1339	84.7 Вт
Intel Xeon	1.4-2 ГГц		8 КБ	20 КБ	1 МБ	400-533 МГц	1243	1152	110 Вт
Intel Itanium 2	1.3-1.5 ГГц	4	32 КБ - общий  для данных и команд		256 КБ	400 МГц	1322	2119
Alpha 21364	1.15-1.77 ГГц	4	64 КБ	64 КБ	1.75 МБ		877	1482	155 Вт
Crusoe	667-1000 МГц		64 КБ	64 КБ	512 КБ				7.5 Вт
Intel Pentium M	900-1700 МГц		64 КБ	64 КБ	1 МБ	400 МГц			т