Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

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

Московский государственный университет  экономики, статистики и информатики  (ММУБиИТ)

Кафедра вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций.

Москва 1997



Введение.

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

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

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

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных. 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обзор некоторых 32-разрядных микропроцессоров.

Обзор начнём с процессоров RISC - архитектуры.

Микропроцессоры Alpha.

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

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

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

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

Микропроцессоры PowerPC.

В 1992 г компании IBM, Motorola и Apple приняли решение осоздании семейства RISC - процессоров широкого профиля. За основу проекта был взят процессор POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) .

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

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

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

Микропроцессоры ARM фирмы Acorn.

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

Микропроцессоры CISC - архитекруры.

 Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.

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

Микропроцессоры фирмы Intel.

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

 Микропроцессор i80386.

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

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

Микропроцессор i486.

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

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

Микропроцессоры фирмы АМD.

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

Микропроцессоры фирмы Cyrix.

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

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

Микропроцессоры фирмы Моtorola серии МС680ХХ. 

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

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

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

Отечественные микропроцессоры.

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

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

Микропроцессоры типа транстьютеров.

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

Транспьютеры фирмы INMOS. 

Типичными транспьютерами являются модели Т414 и Т800.

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

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

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

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

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

Общий обзор структур,характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров.

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

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

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

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

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

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

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

Структуры, характеристики и архитектуры некоторых микропроцессоров.

Микропроцессоры Alpha.

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

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

Микропроцессоры ARM.

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

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

Обращение к памяти осуществляется только командами зарузки и запоминания регистров, обеспечивающими адресацию байта или 32-разрядного слова. 

МП может работать в четырех режимах (О - пользователя, 1 - прерывания. 2 - быстрого прерывания. 3 - супервизора), каждый из которых может использовать свои собственные 32-разрядные регистры. 



Режим

Номера регистров

0

0 - 15

1

10 - 14

2

13 , 14

3

13 , 14



Все команды МП имеют длину 32 разряда. 

Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.

МП содержит три устройства : предварительной выборки, исполнительное, управления памятью. 

Исполнительное устройство включает в себя регистровый файл, содержащий 64 регистрас фиксированным адресом ( глобальные регистры ) и 128 регистров с переменным адресом ( локальные регистры). 

Глобальные регистры назначаются статически компилятором или программистом. Они могут быть использованы для размещения данных ОС, таких, как базовых адресов страниц. 

 Локальные регистры выполняют функции регистров стека для хранения параметров процедуры обращения к подпрограмме. Все команды имеют фиксированный 32-разрядный формат,обеспечивающий упрощение организации конвейера, схемы выборки и обработки команды и др. 

Микропроцессоры фирмы Intel.

В процессорах применяются расширенные микроканалы, характеризующиеся следующими пеимуществами : поддержка параллельной многопроцессорной многозадачной работы; до 15 каналов прямого доступа; одновременная обработка и выборка данных; усовершенствованный доступ к данным; усовершенствованная диагностика и локализация ошибок; управление конфликтами при прерываниях ввода - вывода; автоматическое расширение; идентификация и интеграция.

Микропроцессор i80386.

В 80386 имеется 32 регистра, разделяемых на следующие группы : регистры общего назначения, сегментные, указатель команд и флаги, управления.

Шесть програмно доступных регистров отладки реализуют поддержку процесса отладки программ : четыре указывают четыре точки останова, управляющий используется для установки контрольных точек , а статусный показывает текущее состояние точек останова. Эти регистры обеспечивают задание контрольных точек останова по командам и данным, а также пошаговый режим выполнения программы.

Микропроцессор 80386 содержит шесть блоков, обеспечивающих управление выполнением команд, сегментацию, страничную рганизацию памяти, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти устройства работают в виде конвейера, причем каждое из них может выполнять свою  конкретную функцию параллельно с другими. Таким образом, во время выполнения одной команды производится декодирование второй, а третья выбирается из памяти. Дополнительным средством повышения производительности служит специальный блок быстрого умножения (деления). Устройство управления памятью содержит блок сегментации и блок страничной организации. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных и эффективное разделение памяти между задачами. Страничный механизм работает на более низком уровне я прозрачен для сегментации, позволяя управлять физическим адресным пространством. Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц размером 4 Кбайта. 

Память организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гбайта. Каждая область адресного пространства может иметь связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип (стек, программа или данные) характеристики зашиты. 

Устройство сегментации обеспечивает четырехуровневую защиту для изоляции прикладных задач и операционной системы друг от друга. 

Микропроцессор i486.

По сравнению с 80386 процессором, почти все усовершенствования сделаны на аппаратном уровне, и у нового процессора гораздо больше. На кристалле, кроме центрального процессора, были размещены : математический сопроцессор, кэш и устройство управления памяпью, которое позволяло физически адресовать до 4 Гбайт ОЗУ. Микропроцессор 80486 на частоте 25 - Мгц работал в 3 - 4 раза быстрее чем микропроцессор 80386, расчитанный на такую же частоту.

В микропроцессоре используются раздельные 32 - разрядные шины адреса и данных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачи данных до 106 М байт\с ( при тактовой частоте 33 Мгц ), а также 8 Кбайт встроеной кэш - памяти, играющей роль буфера между относительно медленной основной памятью и высокоскоростным процессором. Процессор i80486 в своё время являлся незаменимым при работе в такой многопользовательской системе как UNIX.

Выбор показателей для оценки микропроцессоров.

Первый показатель - архитектура самого микропроцессора, какая она RISC или CISC.

Основные характеристики архитектур типовых MП приведены на следующей странице:

Характеристика



CISC

RISC

Формат команд

Переменный

Стандартный

Структура команд

Сложная

Простая

Выполнение всех команд

Аппаратно - програмное

Аппаратное

Число команд

Большое

Небольшое

Число регистров

Небольшое 

Большое

Время обработки прерывания

Среднее

Очень малое

Тактовая частота, МГц

25 ; 33 ; 40

12 ; 16,7 ; 20

Среднее число тактов за инструкцию

4 - 6

1,2 - 2

Среднее число транзисторов, тыс.

300 - 400

до 50

Быстродействие млн. оп\с.

4 - 6

10 - 12

Отношение тыс транзисторов\млн. оп\с

70

5



Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня. 

В то же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC архитектурой привели к быстрому росту сложности схем (80386 содержит 270 тыс., а 80486 - 1 млн. транзисторов) и, как следствие, к пределу возможностей CISC- архитектуры в рамках существующей кремниевой технологии. 

Усложнение RISС процессоров фактически приближает их архитектуру к СISC-архитектуре. 

В настоящее время число MП с RISC-архитектурой существенно возросло и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производители основных семейств МП с СISC-архнтектурой.

Процессоры с RISC - архитектурой широко применяются в платах - ускорителях ( акселераторах ) для преобразования стандартных 16 - разрядных ПЭВМ в 32 - разрядные персональные системы высокой производительности.

Второй показатель - производительность. Различают несколько производительностей, в данном случае я рассмотрю 2 вида : пиковую или предельную ( производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти за операндами ) и номинальную (производительность процессора с оперативной памятью ).

Пиковая производительность определяется как среднее число команд типа «регистр - регистр», выполняемых в единицу времени без учета их статистического веса в выбранном классе задач. В настоящее время за рубежом пиковая производитель ность процессора измеряется для команды типа «нет операции» в миллионах операций в сек. 

Номнальная производительность традиционно определяется как среднее число команд, выполняемых полсистемой «процессор - память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным процессров определенных архитектур, и измеряется разботанными для них измерительными программами, реализующими соответствующую эталонную нагрузку. 

Третий показатель - быстродействие, измеряемое миллионами тактов всекунду или Мега Герцами. Чем больше Мгц тем лучше, хотя выбор наиболее быстрого процессора в этом плане зависит от толщины кошелька.

Сравнительная оценка структур и архитектур совместимых 32-разрядных микропроцессоров.

В микропроцессорной индустрии только фирма Intel “ изобрела велосипед “ остальные фирмы и корпорации “ плясали от исходного “ приобретая патенты или дорабатывая и усовершенствуя, на сколько позволял прогресс в этой области, детища фирмы Intel. Поэтому я попробую сравнить продукты этой фирмы, считая все остальные процессоры клонами с доработками или без.

Оба процессора 80386 и 80486 имеют одинаковую архитектуру - CISC. Фирма Intel заняла нишу CISC процессоров, процессоров более общего применения по существенно низким ценам.

Фирма Intel для оценки производительности своих процессоров предложила специальный индекс - iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance), который, по ее мнению,более точно отражает возрастание производительности при переходе к новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении определенных программ демонстрируют даже меньшее быстродействие, чем компьютеры на основе 486DX2-66, это связано как с недостатками конкретных системных плат, так и с неоптимизированностью программных кодов). Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Производительность других про- цессоров, которые останутся в ближайшей производственной программе фирмы Intel, представлена в следующей таблице:



МОДЕЛЬ

ИНДЕКС iCOMP

486SX2-50

180

486DX2-50

231

486DX2-66

297

486DX4-75

319

486DX4-100

435

Pentium-60

510

Pentium-66

567

Pentium-90

735



Иногда общая скорость работы компьютера называется производительностью. Имеется несколько способов измерения производительности, и она зависит от многих факторов, например размера и быстродействия дисков, наличия сопроцессора и быстродействия микросхем памяти. Однако наиболее важным фактором является быстродействие процессора.

Как правило производительность новых процессоров выше старых. Например, процессоры 386 и 486 быстрее процессора 8086. Конечно процессоры 386 и 486 не только по скорости - гораздо важнее их расширенные возможности. Многие забывают, что важна не только скорость процессора, но и то, что он может делать.

Обычно каждый член процессорного семейства включает несколько моделей, единственное различие которых заключается в рабочей частоте. Действиями процессора управляют электрические импульсы, появляющиеся миллионы раз в секунду. Каждый импульс вызывает некоторое действие процессора, и время выполнения конкретной операции измеряется числом импульсов (часто называемых тактами). Например, для умножения двух чисел требуется больше тактов, чем для сложения. 

 Число тактов в секунду измеряется миллионами даже для медленных процессоров и выражается в мегагерцах (МГц). Например, 10 МГц означают 10 миллионов тактов в секунду. 

 При прочих равных параметрах компьютер с более быстрым процессором работает быстрее компьютера с тем же процессором, имеющим меньшую частоту. Например, первый компьютер PC AT имел процессор 286, работающий на частоте 6 МГц. Через некоторое время появился более быстрый компьютер PC AT с тем же процессором 286, но работающим на частоте 8 МГц. 

При сравнении быстродействия процессоров необходимо иметь в виду, что новые процессоры работают эффективнее старых. Например, процессор 486 с частотой 25 МГц работает быстрее процессора 386 с той же частотой 25 МГц. В случае сомнений выбирайте самый быстрый компьютер, который подходит по стоимости. В моделях одного и того же компьютера применяются процессоры с разичным быстродействием. Например, модель 70 семейства PS/2 выпускается с процессором 386, работающим на частотах 16, 20 или 25 МГц. Кроме того, в некоторых компьютерах модели 70 применяется процессор 486. В таблице приведены процессоры семейства 86 с их рабочими частотами. Показаны все рабочие частоты, объявленные фирмой Intel. Однако не которые процессоры с низкой рабочей частотой сняты с производства. От метим, что фирма Intel по лицензиям разрешала другим фирмам выпускать процессор 286 и некоторые другие; эти фирмы предлагали процессоры с отличающимися рабочими частотами. В таблице приведены только частоты, официально объявленные фирмой Intel.

Таблица Процессоры семейства 86 фирмы Intel.



Процессор



Частоты ( МГц )

8088

4,77 ; 8

8086

4,77 ; 8 ; 10

188

8 ; 10 ; 12,5 ; 16

186

8 ; 10 ; 12,5 ; 16

286

8 ; 10 ; 12,5

386SX

16 ; 20

386SL

20 ; 25

386DX

16 ; 20 ; 25 ; 33

486SX

16 ; 20 ; 25 ; 33

486DX

25 ; 33 ; 50

486DX2

50 ; 66

486SL

20 ; 25

Pentium

60 ; 66



Отметим, что в рекламных обьявлениях встречаются компьютеры с процессорами 486, работающими на частоте 66 Мгц. Фактически речь идёт о процессорах DX2, которые внутри действуют на частоте 66 Мгц, а с остальными устройствами взаимодействуют на частоте 33 Мгц. Самый быстродействующим процессором 486 ( и самая быстрая шина компьютера ) имеет рабочую частоту 50 Мгц. Однако оказалось, что обычные шины PC работают на такой частоте ненадёжно. В наиболее надёжных компьютерах применяется шина на 33 Мгц, а результаты тестирования показывают, что процессоры DX2 с частотой 66 Мгц при некоторых условиях превосходят модели с рабочей частотой 50 Мгц. 

Перспективы развития микропроцессоров.

 Поразмышлять о будущем PC весьма интересно. Технология совершенствуется столь быстро, что ее постоянные новинки становятся нормой. Остановимся подробнее на будущем процессоров семейства 86. 

В настоящее время RISC - процессоры являются также базой для построения сопроцессоров и спецпроцессоров, интеллектуальных контроллеров и других устройств. 

Полагают, что именно конкуренция между Power PC и Pentium является самым существенным фактором для развития рынка процессоров и персональных компьютеров. Power PC 601 примерно в два раза дешевле, чем Pentium, потребляет в два раза меньшую мощность и превосходит Pentium по производительности, особенно по операциям с плавающей точкой. Сначала на процессоре 601 была реализована только система 6000 фирмы IBM и PowerMac фирмы Apple. В настоящее время большинство производителей компьютеров имеют свои варианты систем на базе Power PC, однако решение об их производстве будет определяться прежде всего складывающейся конъюнктурой.

Начнем с процессора Pentium, самого совершенного творения фирмы Intel. В нем имеется несколько новинок, например, 64-битовая шина, предсказание перехода, отдельные кэши для данных и команд. Процессор Pentium работает минимум вдвое быстрее процессора 486DX с частотой 66 МГц, выполняя 100 миллионов операций в секунду при частоте синхронизации 60 МГц. Сравните эти показатели с процессором 8088 первого IBМ PC, работавшим на частоте 4,77 МГц. Более того, Pentium намного эффективнее процессора 8088; фактическая производительность в несколько раз выше, чем просто при сравне нии частот синхронизации.

Однако, согласно сообщениям фирмы, недалек выпуск еще более быстро действующих процессоров. В середине 90х годов ожидается появление процессора 686 (возможно, он будет называться по-другому), а в конце века появится процессор 786. 

Если предварительные сведения точны (по-видимому, это и есть), процессор 786 будет работать на частоте 250 Мгц, иметь 5 млн транзисторов четыре отдельных процессорных модуля, а также два векторных процессора для обработки списков чисел, размещаясь на чипе площадью 1 кв дюйм . Кроме того, значительное внимание уделяется самотестированию и графическому интерфейсу с очень высокой разрешающей способностью, включая движущиеся изображения в реальном времени. Вместе с тем в процессоре 786 сохранится совместимость со всем имеющимся программным обеспечением фирме Intel этот будущий процессор называется Micro 2000 (но, возможно, он появится под другим названием). 

Сейчас самим быстродействующим процессором является Pentium с частотой синхрониаации 66 МГц. В феврале 1991 г. фирма Intel представила вариант процессора 486 с частотой 100 МГц, но его коммерческих поставок не было, поскольку Pentium обеспечивает более высокую производительность при меньшей частоте. Однако возможно появление процессора Pentium с рабочей частотой 100 МГц до выпуска процессора 786. 

Помимо все более быстродействующих процессоров появляются все новые приспособления. Интересным, примером служит разъем или гнездо для по вышения производительности (overdrive socket), имеющееся в некоторых временных компьютерах. Раньше люди не знали, для чего предназначенно это гнездо, а сейчас они знают, что в него можно вставить математический сопроцессор или более производительный процессор. С появлением процессора Pentium ожидается появление мультипроцессорных PC c производительностью мощных миникомпьютеров и стоимостью в несколько раз ниже.

Обратимся к таблице , показывающей приблизительное количество транзисторов в кождом процессоре, позволяющее приближённо оценить их сложность. Чтобы показать стремительный прогресс компьютерной технологии, в таблицу включены предшественники семейства 86.

 Таблица . Предшественники, члены и будущие члены процессорного семейства 86 фирмы Intel.



Процессор

Число транзисторов

Год выпуска

4004

2300

1971

8008

3500

1972

8080

6000

1974

8080A

6000

1976

8085

6500

1976

8085A

6500

1978

8086

29000

1978

8088

29000

1979

188

100000

1982

186

100000

1982

286

134000

1982

386

275000

1985

386SX

275000

1988

386SL

855000

1990

486SX

1185000

1991

486

1200000

1989

Pentium

3100000

1993

686

22000000

1994-1996

786

100000000

1999-2001



Отметим значительное превосходство процессора 786 над всеми прежними процессорами.

Глядя на приведенные в таблице числа, нетрудно представить себе мир не столь отдаленного будущего, в котором люди будут обладать небольшими, портативными компьютерами невообразимой мощности. 

Список литературы

1 А.А Мячев, В.Н. Степанцов ПЭВМ и микроЭВМ.-М.: Радио и связь,1991.

2 Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратов.-:Финансы и статистика,1991.

3 В.Э. Фигурнов: IBM PC для пользователя.

4 Р. Веббер: Конфигурирование ПК на процессорах 386/486.

5 П. Нортон: Персональный компьютер изнутри.