Дополнительные интегральные микросхемы

К системной шине, на ряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены некоторые дополнительные микросхемы расширяющие функциональные возможности микропроцессора, таковыми могут быть:

· математический сопроцессор

· контроллер прямого доступа к памяти

· сопроцессор ввода-вывода

· контроллер прерываний и некоторые другие

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых тригонометрических функций и некоторых других операций.

Как правило, математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно во времени с основным микропроцессором, под его непосредственным управлением, при этом ускорение операций достигается в десятки раз.

В современных микропроцессорах начиная с Intel 80486 DX, математический сопроцессор интегрируется в кристалл и структуру основного процессора.

Контроллер прямого доступа к памяти DMA (Direct memory access), обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью, без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ВМ.

Режим DMA освободить процессор от рутинных операций пересылки данных между внешними устройствами и основной памятью, передав эту работу контроллеру DMA, занимаясь в это время обработкой других данных или решением другой задачи в многозадачной системе.

Сопроцессором ввода-вывода за счет параллельной работы с основным процессором существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода, при обслуживании нескольких внешних устройств, тем самым освобождая основной процессор от обработки этих процедур, а так же реализует процедуру прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний призван обслуживать процедуры прерывания.

Прерывания это временная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной или приоритетной программой.

Принцип работы, контроллер принимает запрос на прерывание от внешнего устройства, определяет приоритет этого запроса и выдает сигнал прерывания микропроцессору. Микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После выполнения программы обслуживания восстанавливается выполнения прерванной программы.

Контроллеры прерываний являются программируемыми.

Прерывания при работе компьютера возникают постоянно, например, абсолютно все операции ввода-вывода выполняются оп прерываниям (например, прерывание от системного таймера обрабатывается в среднем от 18 раз в секунду).

В современных ВМ микросхемы контроллера прерываний, контроллера прямого доступа к памяти, сопроцессора ввода-вывода и некоторые другие интегрируются в чипсет компьютера.

Элементы конструкции ВМ

Конструктивно ВМ выполнены в виде системного блока, к которому через разъемы-стыки, подключаются внешние устройства, т.е. любые дополнительные блоки, устройства управления, устройства отображения и прочее.

Системный блок чаще всего включает в себя:

· системная плата

· блок питания

· дисковые устройства

· разъемы и средства крепления дополнительных плат, а так же внешние платы расширения с контроллерами и адаптерами внешних устройств

На системной плате размещаются:

· микропроцессор

· базовый набор микросхем (чипсет)

· генератор тактовых импульсов

· микросхемы ПЗУ и ОЗУ

· микросхема CMOS

· контроллеры клавиатуру, НЖМД и НГМД

· контроллер прерываний

· системный таймер

Какие-то устройства имеют печатный монтаж, какие-то имеют разъемное подключение.

Функциональные характеристики ВМ

При оценке и выборе ВМ часто ориентируются на определенные функциональные характеристики:

· производительность, быстродействие и тактовая частота процессора

· разрядность процессора и кодовых шин интерфейсов

· типы системных, локальных и внешних интерфейсов

· тип и объем оперативной памяти

· наличие и емкость кэш памяти

· тип и емкость поддерживаемых накопителях на жестких магнитных дисках

· тип и емкость поддерживаемых накопителях на гибких магнитных дисках

· тип и емкость устройств работы с оптическими дисками

· наличие и емкость накопителей на магнитной ленте (стримеры, средства для резервного хранения информации, применяют из-за высокой надежности).

· тип монитора

· поддерживаемые типы принтеров, модемов и иных внешних устройств

· наличие средств мультимедиа (аудио, платы видео захвата, видео карта не относится)

· комплектное программное обеспечение

· аппаратная и программная совместимость с другими ВМ

· возможности работы в сетях и многозадачном режиме

· степень надежности компьютера

· стоимость

· габаритные размеры и вес

Микропроцессоры

Central Processing Unit (CPU)

Это функционально законченная программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших или сверх больших интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1. Вычисление адресов команд и операндов

2. Выборку и дешифрацию команд из основной памяти

3. Выборку данных из основной памяти регистров микропроцессора и регистров адаптеров внешних устройств

4. Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств

5. Обработку данных и их запись в основную память, регистры микропроцессора, регистры адаптеров внешних устройств

6. Выработку управляющих сигналов для всех остальных узлов и блоков ВМ

7. Переход к следующей команде

Наиболее часто употребительными характеристиками микропроцессора являются:

1. Разрядность

2. Рабочая тактовая частота

3. Размеры или объем кэш памяти

4. Состав инструкций

5. Конструктив

6. Электрические характеристики микропроцессора

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов над которыми одновременно могут выполняться операции.

Разрядность шины адреса микропроцессора определяет его адресное пространство. При этом под адресным пространством понимают, максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота микропроцессора во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов.

Кроме рабочей тактовой частоты быстродействие зависит от тактовой частоты шины системной платы, с которой может работать микропроцессор.

Кэш память размещаемая в микропроцессоре, имеет два уровня:

· L1 – это кэш память первого уровня, находится внутри основной микросхемы или ядра микропроцессора и работающая всегда на полной тактовой частоте микропроцессора.

· L2 – кэш память второго уровня. Размещается на одном кристалле микропроцессора и связан с ядром внутренней микропроцессорной шиной. Может работать на полной или половинной тактовой частоте микропроцессора, кроме того эффективность кэш памяти L2 зависит и от пропускной способности внутренней микропроцессорной шины.

Состав инструкций – это перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых микропроцессором. От типа команд зависит классификационная группа микропроцессоров (CISC, RISC …).

Перечень и вид команд определяет непосредственно те процедуры, которые могут выполнятся над данными в микропроцессоре, а так же те категории данных, над которыми могут применятся эти процедуры.

Конструктивы – подразумевает, те физические разъемные соединения в которые устанавливается микропроцессора, и которые определяют пригодность материнской платы к установке микропроцессора. Соответственно разные разъемы имеют разные конструкции. Выделяют 2 класса конструкций:

1. Слот (щелевой разъем)

2. Сокет (разъем гнездо)

Разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение – это важный фактор пригодности системной платы к установке микропроцессора.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel, США, и назывался 4004. К настоящему времени разными фирмами выпускаются несколько десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры Intel и Intel подобные.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1. Complex Instruction Set Command (CISC) с полным набором команд

2. Reduced Instruction Set Command (RISC) с усеченным набором системных команд

3. Very Length Instruction World (VLIW) со сверх большим командным словом

4. Minimum Instruction Set Command (MISC) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием

Микропроцессоры CISC

Это наиболее распространенный тип микропроцессоров, среди выпускаемых, микропроцессоры такого типа выпускают многие фирмы.

В области персональных компьютеров наибольшее распространение получили процессоры Intel и AMD. Большее распространение имеют процессоры Intel. Исторически все остальные марки микропроцессоров были intel подобными. Имели общую архитектуру систем команд, а значит были совместимыми на уровне программного обеспечения.

Первым CISC микропроцессором считается Intel 4004 1971 года. 4 –битная разрядность шины данных и 4 –битная разрядность шины адреса, тактовая частота составляла 0.1 МГц. 4 бита позволяет адресовать 640 байт памяти.

Следующий Intel 8080. 1974 год. 8 разрядная шина данных и 8 разрядная шина адреса. 2 МГц тактовая частота и 64 кб памяти.

Intel 8086 1979 года, 16/16 бит, две модификации с частотой 4 и 8 МГц. Адресное пространство составляло 1 млн. байт (1 мегабайт).

Intel 80286 1982 года. 16\24 бит, тактовая частота 16-50 МГц, мог адресовать 16 мегабайт.

Intel 80386 1985 года. 32\32 бит, тактовая частота 8-20 МГц, мог адресовать 4 гигабайта.

Intel 80486 1989 года. 32\32 бит, тактовая частота 25-100 МГц, мог адресовать 4 гигабайта. Впервые появился кэш первого уровня 8 кб.

Intel Pentium 1993 года. 64\32, тактовые частоты 60-223 МГц, мог адресовать 4 гигабайта памяти. Первый микропроцессор с кэшем 2 уровня, оба кэша 8кб.

Pentium PRO. Сентябрь 1995 года.

Pentium MMX. 1997 год. 64\36. Тактовые частоты 166-300. Кэш память увеличена до 16 кб. Адресное пространство 64 гигабайта. Добавлено 57 инструкций ММХ.

Pentium II. Добавляется дополнительное расширение ММХ2 и увеличивается рабочая частота 233-600 МГц.

Pentium III. 1999 год. Тактовые частоты 500-1000 МГц.

Pentium 4. 2000 год и 2004. Тактовые частоты от 1 до 3.5 ГГц. У второго было увеличено количество транзисторов, Northwood.

Последующие модификации Pentium 4 2003 и 2004 года. Отличаются увеличением количества транзисторных элементов. Тактовые частоты у 4Е 2800-3600.

Начиная с модели Pentium II имеют несколько упрощенные модификации, например пониженную разрядность шины адреса, меньшее количество транзисторных элементов, меньшую базовую частоту шины и меньшую рабочую тактовую частоту, при этом были полностью совместимы на уровне команд и расширений системы команд со своими старшими родителями. Все эти процессоры выпускались под общим названием, все эти процессоры выпускались под общим названием Celeron.

Hyper Treading

Осуществляет исполнение программ в несколько потоков. На одном физическом процессоре можно одновременно исполнять два потока команд одной программы. То есть операционная система «видит» не одни физический процессор, а два логических, работающие параллельно и в известной степени не зависят.

Данная технология способна до 30% процентов повысить производительность в многозадачных средах, для программ допускающих много потоковое исполнение.

Архитектурно микропроцессоры с поддержкой НТ имеют группы дублирующих регистров, логические схемы, назначающие ресурсы потокам и средства EPIC. Организующие обработку прерываний для разных логических процессоров.

Технологии гиперконвейерной обработки.

Технология повышая пропускную способность конвейера. Поскольку одним из основных конвейеров микропроцессора является, конвейер предсказаний возврата ветвлений, который в имеет глубину конвейерной обработки в 31 шаг. У предыдущего поколения микропроцессоров конвейеров предсказаний, возвратов ветвлений имел лишь 20 шагов.

С 2004 года поддерживается частота системной шины 800 МГц. Позволяет передавать данные между процессором и другими компонентами ВМ, со скорость 6,4 Гбайт/c.

Кэш память первого уровня включен режим отслеживания выполнения команд. Поддерживается до 16 мегабайт. Способен хранить 12 000 микроопераций с порядком их выполнения. Прирост производительности заключается в быстром доступе к командам ветвления и ускоренного возврата из ветвлений, которые были неверно спрогнозированы.

Расширенные функции выполнения команд и выполнения операций, в первом случае наличие микроблока, улучшенного динамического выполнения команд. С усовершенствованным алгоритмом предсказания ветвлений. Во втором случае микроблок, с расширенными до 128 байт регистрами операций с плавающей запятой. А так же дополнительный регистр для передачи данных. Призваны ускорить работу процессора при выполнении мультимедийных инструкций.

Важнейшим внедрением является внедрение потоковых SIMD расширений. Известны в микропроцессорах как SSE2 (117 инструкций) и SSE3 (13 инструкций).

Вместе они улучшали синхронизацию мультимедийных потоков и повышали производительность при работе с видео и аудио информацией, в том числе с голосом или речью и компьютерной графикой.

Микропроцессоры RISC

Содержат набор простых чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд, необходимо их реализовывать на основе более простых.

Преимуществом является факт одинаковости размеров всех команд и на выполнение каждой из них не более одного машинного такта.

Одним из первых RISC микропроцессоров считается микропроцессор ARM, он был 32 разрядным, имеющий 118 команд.

К современным моделям RISC микропроцессоров можно отнести: Cortex.

Современные производители: Apple, Power PC (PPC), IBM, Deck (Alpha), HP, Sun (Ultra Spark).

Микропроцессоры VLIW

Перспективный вид микропроцессоров.

Выпускаются с 2004 года. Фирма Trans Meta выпускает микропроцессоры Crusoe.

Intel процессор под торговой маркой Itanium.

HP модель называется Маккинли.

Фирмы Intel и НР используют незначительно отличающиеся версию технологию, которая называется EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), вычисления с явной параллельностью инструкций.

Данные технологии используют полный набор 64 разрядных инструкций, известных как IA64. (Intel Architecture)

Данная архитектура не является расширением CISC архитектуры, не переработанной RISC архитектурой. Использует специальные длинные слова команд и другие решения способные автоматизировать распараллеливание процессов выполнения задачи.

IA64 является промежуточной архитектурой между CISC и RISC, пытающаяся совместить преимущества той и другой. При этом в микропроцессоры внедряется режим совместимости декодирования команд, в которые автоматически переключаются.