МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра информационные системы
Реферат по дисциплине «Аппаратные средства»
на тему:
«Процессоры ЭВМ»
Выполнила: студентки 1 курса
заочного отделения группы ПИЭ-1
шифр 01302
Колосова Олеся Николаевна
Работу проверил___________________
_________________________________
Тверь
2002г.
План:
1. Введение
2. Микропроцессор
1. Общая структура микропроцессора
2. Характеристики микропроцессоров
3. Сопроцессоры
4. Наиболее важные параметры микропроцессоров
5. Команды микропроцессора
6. Основной алгоритм работы процессора
3. БИС микропроцессоров
4. Направления в производстве микропроцессоров
1. Микропроцессоры с архитектурой RISC
2. Микропроцессоры с архитектурой СISC
5. Обзор некоторых 16- и 32 разрядных микропроцессоров
1. Процессоры фирмы Intel
5.1.1 Первые процессоры фирмы Intel
5.1.2 Процессор 80286
5.1.3 Процессор 80386
5.1.4 Процессор 80486
5.1.5 Обзор последующих процессоров фирмы Intel
2. Процессоры фирмы AMD
6. Приложения
1. 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 ультра большие (МИС, СИС, БИС и
УБИС соответственно). Все больше и больше транзисторов удавалось поместить
на всё меньших и меньших по размерам кристаллах. Следовательно, ультра
большая 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.
2.Микропроцессор
Микропроцессор - самостоятельное или входящее в состав ЭВМ
устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим
процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В общем случае в
состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок
управления и синхронизации, ЗУ, регистры и др. блоки, необходимые для
выполнения операций вычислительного процесса. Как БИС микропроцессор
характеризуется степенью интеграции, потребляемой мощностью,
помехоустойчивостью, нагрузочной способностью активных выводов
(определяющей возможность подключения к данному микропроцессору и др. БИС)
технологией изготовления, типом корпуса, техническим ресурсом,
устойчивостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям.
Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется
производительностью, разрядностью обрабатываем данных и выполняемых команд,
возможностью увеличения разрядности, числом команд ( микрокоманд ),
количеством внутренних регистров, возможностью обеспечения режима
прерывания ( уровней приоритета ) способностью к обработке десятичных
кодов, объемом адресной памяти, наличием канала прямого доступа к памяти,
типом и числом входных и выходных шин и их разрядностью, наличием и видом
программного обеспечения, способом управления.
Микропроцессоры, используемые в средствах вычислительной техники
различного назначения (для решения широкого круга разнотипных задач),
называются универсальными. Микропроцессоры, предназначенные для построения
какого-либо одного типа вычислительных устройств, называются
специализированными; типичный пример – микропроцессор в калькуляторе. По
способу управления различают микропроцессоры со схемным и микропрограммным
управлением. Микропроцессоры со схемным управлением имеют более высокое
быстродействие, однако, их работа однозначно определяется постоянным
набором команд (хранящихся в их памяти) и соответствующей электрической
схемой, которая зачастую бывает довольно сложной из-за необходимости иметь
в микропроцессоре как можно больше команд. Функционирование микропроцессора
с микропрограммным управлением определяется последовательностью
микрокоманд, состав и очередность выполнения которых устанавливается
оператором. Такие микропроцессоры имеют сравнительно невысокое
быстродействие, но они более универсальны, легче перестраиваются с одной
программы на другую.
По структуре микропроцессоры подразделяются на секционированные (как
правило, с микропрограммным управлением) и однокристальные (с фиксированной
разрядностью и постоянным набором команд). Секционированные микропроцессоры
допускают расширение разрядности и емкости ЗУ (за счет подключения
дополнительных секций) и обладают способностью к расширению своих
функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что секционированные
микропроцессоры набираются из БИС, каждая из которых способна объединяться
с другими БИС, образуя при этом различные функциональные устройства. К
секционированным микропроцессорам обычно подключается БИС постоянного ЗУ с
хранящимися в нем микрокомандами. Процессорная секция микропроцессора этого
типа состоит из секции АЛУ, блока регистров, входных мультиплексоров,
выходного регистра адреса и регистра-аккумулятора, дешифратора микрокоманд,
входных Вх Ш и выходных Вых Ш шин. Управление работой микропроцессорной
секции осуществляется сигналами, выдаваемыми дешифратором микрокоманд.
Каждая новая микрокоманда поступает после исполнения предыдущей. Исходные
данные передаются из оперативного ЗУ или из устройств ввода – вывода
информации через мультиплексоры в секцию АЛУ. Результат выполнения операций
через регистр-аккумулятор направляется по адресу, сформированному в
выходном регистре адреса, а также на блок регистров для временного
хранения и на мультиплексоры для использования на следующих этапах
вычислений. Связь между секциями осуществляется через линии международных
связей.
Однокристальный микропроцессор с фиксированной микро разрядностью и с
постоянным набором команд конструктивно исполняется в виде одной БИС. Такой
микропроцессор выполняет функции процессора ЭВМ, все операции которого
определяются хранящимися в его памяти командами. В состав однокристального
микропроцессора входят: АЛУ, выходной регистр адреса, регистр-аккумулятор,
блок регистров, регистр признаков, схема управления, входная и выходная
шины и канал управления. Особенность однокристального микропроцессора –
наличие внутренней шины, по которой происходит обмен информацией между
устройствами микропроцессора.
По функциональным возможностям микропроцессор соответствует
процессору ЭВМ, выполненному на 20-40 ИС малой и средней степени
интеграции, но обладает большим быстродействием, существенно меньшими
размерами, массой, потребляемой мощностью и стоимостью.
Микропроцессоры получили широкое применение в системах управления
технологическим и контрольно-испытательным оборудованием, транспортными
средствами, космическими аппаратами, бытовыми приборами и т.д. Малые
размеры, масса и энергоемкость микропроцессора позволяют встраивать его
непосредственно в объект управления. На базе микропроцессора создаются
различные типы микро-ЭВМ, контроллеров, программаторов и другие устройства
автоматики и вычислительной техники.
2.1 Общая структура микропроцессора
А Л У - арифметико-логическое устройство. Оно обеспечивает выполнение
основных операций по обработке информации.
Любую задачу компьютер разбивает на отдельные логические
операции, производимые над двоичными числами, причем в одну
секунду осуществляются сотни тысяч или миллионы таких опера-
ций. Сложение, вычитание, умножение и деление - элементарные
операции, выполняемые АЛУ ЭВМ. Полный набор таких операций называют
системой команд, а схемы их реализации составляют основу АЛУ. Помимо
арифметического устройства АЛУ включает и логическое устройство,
предназначенное для операций, при осуществлении которых отсутствует перенос
из разряда в разряд. Иногда эти операции называют логическое И и
логическое ИЛИ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально
отведенных ячейках АЛУ. Время выполнения простейших операций определяется
минимальным временем сложения двух операндов, находящихся в регистрах. В
случае, если одно или оба слагаемых находятся не в регистрах, а в
запоминающем устройстве (ЗУ), учитывается также время пересылки слагаемых
в регистры и время записи полученной суммы в ЗУ. В большинстве современных
микропроцессоров это время составляет от нескольких сотен наносекунд до
нескольких микросекунд.
УУ - устройство управления, управляет процессом обработки и
обеспечивает связь с внешними устройствами.
РЕГИСТРЫ - внутренние носители информации микропроцессора. Это
внутренняя память процессора. Регистров - три. Один хранит команды или
инструкции, два других - данные. В соответствии с командами процессор
может производить сложение, вычитание или сопоставление содержимого
регистров данных.
2.2 Характеристики микропроцессоров
Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя
характе-
ристиками: типом (моделью) и тактовой частотой.
Наиболее распространены модели Intel-8088,80286,
80386SX,
80386(DX), 80486(SX, SX2,DX, DX2, DX4 и т.д.), Pentium
и Pentium Pro
они приведены в порядке возрастания
производительности и цены.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную
тактовую
частоту - чем выше тактовая частота, тем выше
производительность и
цена микропроцессора.
Тактовая частота указывает, сколько элементарных опера-
ций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая
частота измеряется в мегагерцах(МГц). Следует заметить, что
разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции
(например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем
выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для
выполнения одних и тех же операций. Поэтому микропроцессор
Intel-80386 работает в два раза быстрее Intel-80286 с такой же
частотой.
2.3 Сопроцессоры.
Специализация сопроцессоров состоит в быстрой обработке чисел с
плавающей запятой. Они могут выполнять как обычные операции сложения,
вычитания, умножения и деления, так и более
сложные операции, такие как вычисление тригонометрических
функций
Конструктивно заложенные в микропроцессор сигналы, позволяют
передавать работу сопроцессору и затем получать результаты обработки.
Чтобы использовать арифметический сопроцессор, находящийся в составе
компьютера, необходимы программы, которые могут выдавать специальные коды,
необходимые для запуска сопроцессора.
Микропроцессоры 8088, 80286, 80386 сконструированы так, что они
позволяют использовать арифметические сопроцессоры 8087, 80287, 80387 фирмы
"Intel"-соответственно. Более поздние модели микропроцессоров имеют
встроенные сопроцессоры.
2.4. Наиболее важные параметры МП
Структуры 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 конвейерный 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 представляют 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 внешними
синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...233 МГц и
более. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из
регистров или пересылка операндов в регистрах 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.
2.5 Команды микропроцессора
Арифметические операции - это такие операции, как
сложение, вычитание, умножение, деление и другие.
Логические операции - это такие операции, как
сравнение, отредактировать и отметить, логическое И и
логическое ИЛИ, исключение, проверка по маске и прочее.
Операции ввода-вывода - это такие операции, как начать,
остановить, опросить устройства ввода-вывода, опросить каналы
и так далее.
Операции переключения состояния - это такие операции,
как проверить и установить, загрузить реальные адреса и так
далее.
2.6 Основной алгоритм работы процессора
Процессор начинает работу после того, как программа записана в
память ЭВМ, а в счетчик команд (СК) записан адрес первой
команды программы. Работу процессора можно описать следующим
циклом:
2НЦ
чтение команды из памяти по адресу, записанному в СК
увеличение СК на длину прочитанной команды
выполнение прочитанной команды
2КЦ
После чтения очередной команды процессор увеличивает СК на
длину команды. Поэтому при следующем выполнении тела цикла процессор
прочтет и выполнит следующую команду программы, потом еще одну и т. д. Цикл
закончится, когда встретится и будет выполнена специальная команда "стоп".
В итоге ЭВМ автоматически, без участия человека, команда за командой,
выполнит всю команду целиком.
Автоматизм работы процессора, возможность выполнения
длинных последовательностей команд без участия человека - одна
из основных отличительных особенностей ЭВМ как универсальной
машины обработки информации.
3. БИС микропроцессоров
Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС,
отличающихся структурой, техническими характеристиками и функциональными
возможностями: секционированные с наращиванием разрядности и
микропрограммным 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.
4. Направления в производстве микропроцессоров
На данный момент существует два направления в производстве
микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое
направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.
4.1 Микропроцессоры с архитектурой RISC
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 помощью специальных команд
загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд
позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный
конвейер при небольшом объёме 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 арифметических операций, поэтому
их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC
- процессорах. В результате чего, RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее
имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд
и высоко производительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ).
Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :
Любая операция должна 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.
4.2 Микропроцессоры с архитектурой CISC
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, характерных для микропроцессора первого поколения, до
значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных
микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.)
5. Обзор некоторых 16- и 32-разрядных
микропроцессоров.
.
5.1. Процессоры фирмы Intel.
5.1.1. Первые процессоры фирмы Intel.
За 20-летнюю историю развития микропроцессорной техники,
ведущие позиции в этой области занимает американская фирма Intel
(INTegral ELectronics). До того как фирма Intel начала выпускать
микрокомпьютеры, она разрабатывала и производила другие виды интегральных
микросхем. Главной ее продукцией были микросхемы для калькуляторов. В 1971
г. она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004.
Фирма первоначально продавала его в качестве встроенного контроллера (что-
то вроде средства управления уличным светофором или микроволновой печью).
4004 был четырех битовым, т.е. он мог хранить, обрабатывать и записывать
в память или считывать из нее четырех битовые числа. После чипа 4004
появился 4040, но 4040 поддерживал внешние прерывания. Оба чипа имели
фиксированное число внутренних индексных регистров. Это означало, что
выполняемые программы были ограничены числом вложений подпрограмм до 7.
В 1972 г., т.е. спустя год после появления 4004, Intel выпустила
очередной процессор 8008, но подлинный успех ей принес 8-битный
микропроцессор 8080, который был объявлен в 1973 г. Этот микропроцессор
получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей
стране его аналог - микропроцессор KP580ИК80 применяется во многих
бытовых персональных компьютерах и разнообразных контроллерах. С чипом
8080 также связано появление стека внешней памяти, что позволило
использовать программы любой вложенности.
Процессор 8080 был основной частью первого небольшого компьютера,
который получил широкое распространение в деловом мире. Операционная
система для него была создана фирмой Digital Research и называлась Control
Program for Microcomputers (CP/M).
5.1.2. Процессор 80286.
|МИКРОСХЕМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА 80286 |
|80286 - однокристальный 16-разрядный МП |
|80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор |
|82284 - генератор тактовых сигналов |
|82288 - системный контроллер |
|82289 - арбитр магистрали |
Микропроцессор 80286 появился в 1982 году. При разработке были учтены
достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров.
Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса
он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального
адреса (Protected Virtual Adress Mode) или P-режиме предоставляет
программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно
отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление
дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем
уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и
мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях
PS/2.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80286
Тактовая частота.............………………....6; 8; 10; 12
Адресное пространство памяти:
физической, Мбайт........................………………...16
виртуальной на задачу, Гбайт.............……………..1
Число уровней защиты памяти...............…………..4
Пропускная способность шины,
|
